JP2006517463A - Monolayer using organic acid bonded to the surface - Google Patents

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Abstract

本発明は、基板表面に化学結合した、高密度充填の配向した有機酸ベースの単分子層を提供する工程、(i)前記基板の前記表面の少なくとも一部分の上に、複数の少なくとも1つの有機酸種を含む高密度充填の吸着配向単分子層を提供し、ここで前記吸着単分子層を含む各有機酸種が前記基板の前記表面に会合した少なくとも1つの酸官能基を有する;および(ii)前記表面に会合した酸官能基を前記基板の表面に結合させる;を含む方法を提供する。The present invention provides a densely packed oriented organic acid-based monolayer that is chemically bonded to a substrate surface, (i) a plurality of at least one organic on at least a portion of the surface of the substrate. Providing a densely packed adsorption oriented monolayer comprising acid species, wherein each organic acid species comprising said adsorption monolayer has at least one acid functional group associated with said surface of said substrate; and ii) attaching an acid functional group associated with the surface to the surface of the substrate.

Description

関連出願の参照
本願は、2003年7月28日に出願された、米国仮出願第60/490,613号、2003年5月2日に提出された米国仮出願第60/467,348号、および2003年2月11日に提出された米国仮出願第60/446,681号および第60/446,680号に基づき、優先権を主張する。これらはすべて本明細書中に参照として組み込まれる。
Reference to Related Applications This application is filed on July 28, 2003, US Provisional Application No. 60 / 490,613, US Provisional Application No. 60 / 467,348, filed May 2, 2003, And claims priority based on US Provisional Applications Nos. 60 / 446,681 and 60 / 446,680 filed Feb. 11, 2003. All of which are incorporated herein by reference.

背景
絶縁性、金属特性、導電性、または電子物性を有する基板に結合した有機層の提供は、素子を構築する際に無機材料と有機または生体材料との間の界面として用いるために重要である。生体/無機材料界面の例として、インビボの移植、例えば骨成長促進整形外科移植のための材料、および化学種または生体種を検出するために生体活性層を用いる移植可能なバイオセンサーが挙げられる。このようなバイオセンサー素子においては、生物的に活性な層(本明細書中では生体活性層とも表す)は、半導体層と連結して検出される種の量もしくは濃度に比例する電気または光の信号を生成する。有機/無機材料界面を用いる素子は、例えば有機トランジスタ(OT)および発光ダイオード(OLED)である。
Providing an organic layer bonded to a substrate with background insulation, metallic properties, conductivity, or electronic properties is important for use as an interface between inorganic and organic or biomaterials in the construction of devices . Examples of bio / inorganic material interfaces include in vivo implants, such as materials for bone growth-promoting orthopedic implants, and implantable biosensors that use bioactive layers to detect chemical or biological species. In such biosensor elements, the biologically active layer (also referred to herein as a bioactive layer) is an electrical or optical proportional to the amount or concentration of species detected in conjunction with the semiconductor layer. Generate a signal. Elements using the organic / inorganic material interface are, for example, organic transistors (OT) and light emitting diodes (OLED).

有機層または生体活性層と無機基板との間の機械的、化学的、電子的な性質は、さまざまな因子に依存する。その多くは:(a)層を含む分子部分の構造、例えば基板表面に対する配列および結合;および(b)基板表面と有機層との間の結合の領域特異的密度である。さらに、前記界面は化学的安定性を示し、使用条件下で堅固でなければならず、さもなければ使用によって劣化する。   The mechanical, chemical and electronic properties between the organic or bioactive layer and the inorganic substrate depend on various factors. Many of them are: (a) the structure of the molecular part comprising the layer, eg arrangement and binding to the substrate surface; and (b) the region specific density of binding between the substrate surface and the organic layer. In addition, the interface exhibits chemical stability and must be rigid under the conditions of use or otherwise deteriorate with use.

一般に、基板表面にデポジットされた層と基板との間の結合の領域特異的密度が増加するにしたがって、層の結合の安定性が増加する。さらに、一定表面積での層と表面との結合数の増加にしたがって、層を通るまたは表面から離れる電荷キャリア束も増加しうる。   In general, as the region-specific density of bonds between the layer deposited on the substrate surface and the substrate increases, the stability of the layer bond increases. Furthermore, as the number of bonds between the layer and the surface at a constant surface area increases, the charge carrier flux through or away from the layer can also increase.

ポリマー層を表面にデポジットするために重合の方法を用いて基板表面を覆う有機層を展開させることがよく知られている。一般にこれらの層はよい表面コンフォメーションを示さない。すなわち、ポリマーのオーバーレイヤーの成長は、表面を横切る分離した位置(「アイランド」)でのモノマー部分の表面結合(最終的にポリマーマスがアイランド間の表面をこえてブリッジするまで、これらのアイランドから外側に進む、しかし表面とのさらなる化学結合を形成しない重合としてポリマーに組み込まれる)によっておこる傾向がある。この成長および結合パターンは、層を含む種の多くの層と同じ厚さ(しばしば数百ナノメートルから数ミクロンの厚さ)の層を形成する傾向があるが、コーティング層を含む種と基板表面との間に相対的に少ない結合を有する。例えば「スピン−オン」技術によって塗布されるバルクのポリマーを含む有機層もよく知られている。これらの型のコーティングはさらに基板表面とコーティングとの間に同様の型のまばらな結合パターンを示す。コーティングと基板表面との間の単位表面積あたりの結合数が少ないコート基板は、基板とコーティングとの間の機械的結合が弱く、基板表面とコーティングとの間の電子通信が低い。したがってこれらは機械的強度が弱く一般に長期の安定性を示さない。このようなコーティングは、電子素子に用いたときに高い電荷キャリア特性を示さない。   It is well known to develop an organic layer covering the substrate surface using a polymerization method to deposit the polymer layer on the surface. In general, these layers do not exhibit good surface conformation. That is, the growth of the polymer overlayer is the result of surface bonding of monomer moieties at discrete locations across the surface (“islands”) (from these islands until the polymer mass eventually bridges across the surface between the islands). In the polymer as a polymerization that proceeds outward, but does not form additional chemical bonds with the surface. This growth and bonding pattern tends to form a layer that is the same thickness (often hundreds of nanometers to a few microns thick) as many layers of the species that contain the layer, but the species and substrate surface that contain the coating layer There are relatively few bonds between Also well known are organic layers comprising bulk polymers applied by, for example, the “spin-on” technique. These types of coatings also exhibit similar types of sparse bond patterns between the substrate surface and the coating. A coated substrate with a low number of bonds per unit surface area between the coating and the substrate surface has a weak mechanical bond between the substrate and the coating and low electronic communication between the substrate surface and the coating. They are therefore weak in mechanical strength and generally do not exhibit long-term stability. Such coatings do not exhibit high charge carrier properties when used in electronic devices.

一つには、層が自然表面でみられる官能基を用いて基板に結合されるため、従来技術で表面に結合した有機層は、単位表面積あたりの結合数が少ない。一般に、さらなる種を表面に結合させるための使用に十分に活性な基は、まばらに表面を横切る。一例として、例えばオルガノ−クロロシランで表面をシラン化して表面に結合するカルボシロキサン種を形成する、シリコンの自然酸化物表面で行われる誘導体化反応にしばしば用いられるシラノール官能基が挙げられる。一般に、誘導体化シランの有機部分はまた、従来の有機化学を適用することによって例えばエポキシドおよび炭素−炭素二重結合などの不飽和部位などのポリマーの構造に組み込むことができる、シラン化反応に対して安定ないくつかの官能基を含む。または、活性な表面部位の還元によって表面を誘導体化し、シリコン基板の表面にシランまたはクロロシラン種を生成し、従来のオルガノ−シラン化学を適用して表面に結合したオルガノシラン種が形成されうる。一例として、このような表面誘導体化反応によって調製された表面に結合した水素化ケイ素官能基を用いた、不飽和有機部分のヒドロシリル化が挙げられる。   For one, since the layer is bonded to the substrate using functional groups found on the natural surface, organic layers bonded to the surface in the prior art have fewer bonds per unit surface area. In general, groups that are sufficiently active for use to bind additional species to the surface sparsely cross the surface. One example is a silanol functional group often used in derivatization reactions performed on the native oxide surface of silicon, for example, silanizing the surface with organo-chlorosilane to form a carbosiloxane species that binds to the surface. In general, the organic portion of the derivatized silane can also be incorporated into the structure of the polymer, such as unsaturated sites such as epoxides and carbon-carbon double bonds, by applying conventional organic chemistry. It contains several functional groups that are stable and stable. Alternatively, the surface can be derivatized by reduction of active surface sites to produce silane or chlorosilane species on the surface of the silicon substrate, and conventional organo-silane chemistry can be applied to form organosilane species bound to the surface. One example is the hydrosilylation of unsaturated organic moieties using surface-bonded silicon hydride functional groups prepared by such surface derivatization reactions.

これらの表面誘導体化の方法は、出発表面を広範囲に修飾し、表面の調製の間、シランまたはクロロシラン中間体の段階で湿度および酸素に敏感な基板表面を与えるために厳しい環境の制御を必要とする。   These surface derivatization methods extensively modify the starting surface and require harsh environmental control to provide moisture and oxygen sensitive substrate surfaces at the silane or chlorosilane intermediate stage during surface preparation. To do.

上述したように、自然発生的な活性表面部位を変換して表面に結合した層を与えることによる表面誘導化反応は、多分子層厚およびそこに近接した、誘導体化する種が基板の表面に結合していない「空隙」領域である、組織化が不完全な物質の領域であるコーティングを与える。結合した表面種の「アイランド」の取り込みによってまたはバルクのポリマーの塗布によって、表面を完全に覆う有機層を提供するための上述の方法の使用は、組織化が不完全な、表面に強く接着しない表面層を与え、不十分な基板との電子的相互作用をもたらす。   As described above, the surface derivatization reaction by converting the naturally occurring active surface site to give a surface-bound layer is a multi-layer thickness and the proximity of the derivatizing species to the surface of the substrate. It provides a coating that is an area of imperfectly organized material that is an unbonded “void” area. Use of the above-described method to provide an organic layer that completely covers the surface, either by incorporation of “islands” of bound surface species or by application of bulk polymer, is poorly organized and does not adhere strongly to the surface A surface layer is provided, resulting in insufficient electronic interaction with the substrate.

例えばセンサーなどの電子的な応用のためには、これは有機層を通した基板への効率的な電荷キャリアの輸送を妨げうる。接着および機械的強度のため表面に結合した層に依存する材料の塗布のためには、例えば骨成長を促進する医療上の移植においては、表面層の基板との結合の不連続な性質は、基板から分離しやすい機械的強度の弱い界面をもたらす。   For electronic applications such as sensors, this can prevent efficient charge carrier transport through the organic layer to the substrate. For application of materials that depend on a layer bonded to the surface for adhesion and mechanical strength, for example in medical implants that promote bone growth, the discontinuous nature of the bonding of the surface layer to the substrate is It provides an interface with low mechanical strength that is easy to separate from the substrate.

必要とされるのは、自然表面に存在する活性な官能基の少なさにもかかわらず、高い表面領域特異的な層と基板との間の結合数で、基板の酸化物表面に結合した組織化された有機層である。さらに必要とされるのは、単結晶、多結晶、または非晶質によらず、さまざまな表面にこのような層を提供する一般的な方法である。   What is needed is a tissue attached to the oxide surface of the substrate with a high surface area specific number of bonds between the substrate and the substrate, despite the low number of active functional groups present on the natural surface. The organic layer. What is further needed is a general method of providing such a layer on a variety of surfaces, whether single crystal, polycrystalline, or amorphous.

発明の概要
本発明者は、驚くべきことに、吸着した有機酸を含む高密度配向単分子層を基板の酸化物表面に結合させることでこれらの必要性が満たされることを発見した。
SUMMARY OF THE INVENTION The inventor has surprisingly discovered that these needs are met by bonding a densely oriented monolayer containing adsorbed organic acid to the oxide surface of the substrate.

本発明は、基板表面の少なくとも一部分の上に、高密度の配向した結合した単分子層を提供する工程を提供し、前記工程が;
a.複数の加水分解性官能基を含む基板表面を提供する;
b.前記基板表面の少なくとも一部分の上に、少なくとも1つの酸官能基を有することを特徴とする少なくとも1つの有機酸種を、吸着有機酸種および前記基板の表面を含む界面で、前記基板表面の加水分解性官能基の結合形成近接における前記酸官能基のうち少なくともいくつかを含む高密度配向単分子層を形成するのに十分な量で、吸着させる;および
c.前記酸官能基の少なくとも一部分を、前記界面において、前記基板の前記表面加水分解性官能基と結合させる;
を含む。
The present invention provides a step of providing a dense oriented bonded monolayer on at least a portion of a substrate surface, said step comprising:
a. Providing a substrate surface comprising a plurality of hydrolyzable functional groups;
b. At least one organic acid species having at least one acid functional group on at least a portion of the substrate surface is hydrolyzed at an interface comprising the adsorbed organic acid species and the surface of the substrate. Adsorbing in an amount sufficient to form a densely oriented monolayer comprising at least some of the acid functional groups in the vicinity of bond formation of degradable functional groups; and c. Binding at least a portion of the acid functionality to the surface hydrolyzable functionality of the substrate at the interface;
including.

前記工程によって提供される単分子層が、実質的に空隙領域を含まず、単分子層が提供される酸化物表面の選択された一部分の全体を覆うまで、本発明の工程を繰り返すことが好ましい。   It is preferred to repeat the process of the invention until the monolayer provided by the process is substantially free of void regions and covers the entire selected portion of the oxide surface on which the monolayer is provided. .

本発明の「結合させる段階」(段階c)は、吸着単分子層と表面の官能基とを含む界面領域の酸官能基のうち少なくともいくつかに化学結合を形成させるのに十分な長い時間、十分な量の熱エネルギーを、吸着単分子層および基板の酸化物表面を含む界面領域に供給することによって行うことが好ましい。吸着した単分子層および基板を少なくとも約100℃の温度に加熱することによって、吸着単分子層を結合させることがより好ましい。   The “bonding” step (step c) of the present invention involves a long enough time to form a chemical bond with at least some of the acid functional groups in the interfacial region including the adsorbed monolayer and the surface functional groups, It is preferable to supply a sufficient amount of thermal energy to the interfacial region including the adsorption monolayer and the oxide surface of the substrate. More preferably, the adsorbed monolayer is bonded by heating the adsorbed monolayer and the substrate to a temperature of at least about 100 ° C.

吸着させる段階(b)は、強制的な長距離秩序のない形態で有機酸種を表面に提供する方法で、有機酸種を基板表面に供給することによって行われることが好ましい。有機酸種の好ましい形態は、およそ溶液の臨界ミセル濃度より低い濃度で有機酸種が存在する、有機酸種および溶媒を含む溶液である。   The adsorbing step (b) is preferably performed by supplying the organic acid species to the surface of the substrate by a method of providing the organic acid species to the surface in a form without forced long-range order. A preferred form of organic acid species is a solution comprising an organic acid species and a solvent in which the organic acid species is present at a concentration that is approximately below the critical micelle concentration of the solution.

吸着単分子層が酸の溶液から提供される場合、前記基板表面の少なくとも一部分に吸着した高密度配向単分子層を形成する好ましい方法は、基板の表面を、少なくとも1つの有機酸種を含む溶液の一定量と、高密度配向単分子層を形成するのに十分な量で接触させることである。より好ましくは、基板表面を多量の溶液中に浸すことによって、溶液を基板表面に接触させる。   When the adsorption monolayer is provided from an acid solution, a preferred method of forming a densely oriented monolayer adsorbed on at least a portion of the substrate surface is a solution comprising at least one organic acid species on the surface of the substrate. And a sufficient amount to form a densely oriented monolayer. More preferably, the solution is brought into contact with the substrate surface by immersing the substrate surface in a large amount of solution.

好ましくは、前記溶液が基板表面に接触した後、前記基板の少なくとも一部分の上の吸着高密度配向単分子層膜が脱離する条件下で、残留溶液が前記基板との接触から除去される。好ましくは、基板が浸されている溶液の体積が基板を覆うのに不十分になるまで、高密度充填された配向単分子層を形成するのに十分な条件下で前記溶媒を蒸発させることによって達成される。単分子層は、吸着した有機酸種および前記基板の表面を含む界面に、前記基板表面の加水分解性官能基の結合形成近接における相当数の前記有機酸種の、少なくとも1つの酸官能基を含むことが好ましい。   Preferably, after the solution contacts the substrate surface, the residual solution is removed from contact with the substrate under conditions where the adsorbed densely oriented monolayer on at least a portion of the substrate is desorbed. Preferably, by evaporating the solvent under conditions sufficient to form a densely packed oriented monolayer until the volume of the solution in which the substrate is immersed is insufficient to cover the substrate Achieved. The monomolecular layer has at least one acid functional group of a considerable number of the organic acid species in the vicinity of bond formation of the hydrolyzable functional group on the substrate surface at the interface including the adsorbed organic acid species and the surface of the substrate. It is preferable to include.

好ましい基板表面は、バルクの酸化物基板、金属基板、および半導体基板からなる群から選択される基板の酸化物表面である。より好ましくは、金属、半導体、および酸化物導体からなる群から選択される電子材料基板の自然酸化物表面、並びに例えば高誘電率ガラスなどの厚い酸化物絶縁体層である。特に好ましい基板はGaAs、シリコン、InP、GaN、伝導のためにインジウムおよび/または亜鉛でドープした酸化スズ、伝導のためにアルミニウムでドープした酸化亜鉛、酸化亜鉛、例えばTiO、FeO、およびVOなどをベースにしたドープした酸化物である。   A preferred substrate surface is an oxide surface of a substrate selected from the group consisting of a bulk oxide substrate, a metal substrate, and a semiconductor substrate. More preferred are the native oxide surface of an electronic material substrate selected from the group consisting of metals, semiconductors, and oxide conductors, and thick oxide insulator layers such as, for example, high dielectric constant glass. Particularly preferred substrates are GaAs, silicon, InP, GaN, tin oxide doped with indium and / or zinc for conduction, zinc oxide doped with aluminum for conduction, zinc oxide such as TiO, FeO and VO. A doped oxide based.

いくつかの応用においては、前記有機酸種は、モノ−、ジ−および多官能スルホン酸からなる群から選択されることが好ましい。ほとんどの応用においては、前記有機酸種は、モノ−、ジ−および多官能カルボン酸並びにモノ−、ジ−および多官能ホスホン酸からなる群から選択されることが好ましい。前記有機酸種は、置換または非置換のチオフェン部分、置換または非置換のポリチオフェン部分、および置換または非置換の約2〜約40の炭素原子を有する炭化水素部分;前記炭化水素部分が任意でヒドロキシル、アミノ、カルボン酸、ホスホン酸およびチオール官能基からなる群から選択されるさらなる官能基で置換される、直鎖もしくは環状の、飽和もしくは不飽和の、置換もしくは非置換の、脂肪族または芳香族部分であることをさらに特徴とする;からなる群から選択される有機部分を含むことがさらに好ましい。   For some applications, the organic acid species is preferably selected from the group consisting of mono-, di- and polyfunctional sulfonic acids. For most applications, the organic acid species is preferably selected from the group consisting of mono-, di- and polyfunctional carboxylic acids and mono-, di- and polyfunctional phosphonic acids. The organic acid species includes a substituted or unsubstituted thiophene moiety, a substituted or unsubstituted polythiophene moiety, and a substituted or unsubstituted hydrocarbon moiety having from about 2 to about 40 carbon atoms; the hydrocarbon moiety is optionally hydroxyl A linear or cyclic, saturated or unsaturated, substituted or unsubstituted, aliphatic or aromatic substituted with a further functional group selected from the group consisting of amino, carboxylic acid, phosphonic acid and thiol functional groups It is further preferred that it comprises an organic moiety selected from the group consisting of;

本発明は、本発明の方法によって調製される高密度充填された、配向した有機酸ベースの単分子層をも提供する。   The present invention also provides densely packed, oriented organic acid based monolayers prepared by the method of the present invention.

本発明の、上述のおよび他の実施形態並びに利点は、以下の詳細な説明および実施例で明らかになるであろう。   The above-described and other embodiments and advantages of the present invention will become apparent in the following detailed description and examples.

発明の詳細な説明
本発明者は、驚くべきことに、単分子層を含む実質的にすべての部分の、少なくとも1つの官能基によって、結晶性、多結晶、または非晶質の基板の加水分解性表面に結合した、強い、表面に沿った、高密度の配向した有機単分子層が提供されうることを発見した。本発明者は、また、驚くべきことに、基板の選択された領域にわたって基板の表面を覆う、実質的に空隙領域がなく実質的に多分子層で覆われる領域がない単分子層を提供するための工程を発見した。本発明によって提供される高密度配向有機単分子膜は、空隙領域がなく表面を覆う範囲の広さ、層を含む各部分の高い配向度、および広い基板の領域にわたる層の低い次元(すなわち、実質的に前記層はわずか一分子の厚さである)において独特である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The inventor has surprisingly been able to hydrolyze crystalline, polycrystalline, or amorphous substrates by virtue of at least one functional group in substantially all portions, including monolayers. It has been discovered that a strong, along-surface, densely oriented organic monolayer bonded to a neutral surface can be provided. The inventor also surprisingly provides a monolayer that covers the surface of the substrate over selected areas of the substrate, substantially free of void areas and substantially free of areas covered by the multilayer. I found a process for this. The densely aligned organic monolayer provided by the present invention has a wide area covering the surface without void regions, a high degree of orientation of each part including the layer, and a low dimension of the layer over a large substrate area (i.e. Substantially the layer is only a single molecule thick).

本明細書中で用いる場合、「高密度単分子層」の用語は、複数の、基板表面の少なくとも一部分の上に結合または吸着した1以上の部分を、表面上のテンプレートに十分に広範囲に含み(すなわち、基板が結晶性、多結晶、または非晶質の表面のいずれを有しても、コーティングが塗布される特定の基板表面の、表面の繰り返しの特性に応じて繰り返すような配向性で吸着する)、単分子層が誘導する各部分の二次元の最密の配置を提供するための膜を記述する。高密度の単分子層は、さらに、実質的に多分子層膜の形成がないことを特徴とする。本明細書中で用いる場合、「配向単分子層」の用語は、単分子層を形成する分子種の実質的にすべての官能基が、表面および単分子層を含む隣接した部分と同じ相対関係で存在する、基板表面上に結合または吸着した高密度単分子層を記述する。   As used herein, the term “dense monolayer” includes a plurality of one or more portions bound or adsorbed onto at least a portion of a substrate surface, sufficiently broadly in a template on the surface. (I.e. whether the substrate has a crystalline, polycrystalline, or amorphous surface, the orientation of the specific substrate surface to which the coating is applied repeats according to the repetitive characteristics of the surface. Describes a membrane to provide a two-dimensional close-packed arrangement of each part that the monolayer derives). The high-density monomolecular layer is further characterized by substantially no formation of a multilayer film. As used herein, the term “oriented monolayer” means that substantially all functional groups of the molecular species forming the monolayer are in the same relative relationship with the surface and adjacent portions including the monolayer. Describe the dense monolayer bound or adsorbed on the substrate surface, present in

本発明の工程は、良い機械的および電気的な特性を有し、加溶媒分解または超音波処理による脱離に耐性がある、基板の加水分解性表面に結合した有機層を提供する。   The process of the present invention provides an organic layer bonded to the hydrolyzable surface of the substrate that has good mechanical and electrical properties and is resistant to desorption by solvolysis or sonication.

本発明の工程は:(i)有機酸部分の少なくとも1つの酸官能基が表面に、好ましくは結合形成近接において会合し、有機酸種が表面上に二次元の規則的な高密度充填で配列されるように、基板の加水分解性表面の上に複数の、少なくとも1つの有機酸種を含む、高密度配向有機単分子層を吸着させる;および(ii)有機酸部分の表面に会合した酸官能基を表面に結合させる;を含む。さらに、結合した単分子層は、表面のどんな広範囲にわたっても二分子層または多分子層が形成されないことを特徴とする。   The steps of the present invention are: (i) at least one acid functional group of the organic acid moiety is associated with the surface, preferably in the vicinity of bond formation, and the organic acid species are arranged on the surface in a two-dimensional regular high density packing. Adsorbing a densely oriented organic monolayer comprising a plurality of at least one organic acid species on the hydrolyzable surface of the substrate; and (ii) an acid associated with the surface of the organic acid moiety Attaching a functional group to the surface. Furthermore, the bonded monolayer is characterized in that no bilayer or multilayer is formed over any wide area of the surface.

本発明者は、また、驚くべきことに、吸着した有機酸部分の高密度配向単分子層は、有機酸を用いて、本明細書中で便宜上、酸の「無秩序な状態」とも表す強制的な長距離秩序のない形態で、基板の加水分解性表面に形成されうることを発見した。理論に結びつけるまでもなく、酸源と基板の表面との間の接触界面において、基板表面に吸着する際に、酸は本発明の工程に従って吸着した単分子層を提供するときに用いられる条件下で、配向単分子層膜に自己組織化すると考えられる。本発明者は、また、驚くべきことに、被覆に原則的に空隙領域を含まない、加水分解性表面の広範囲にわたって広がる有機酸の高密度配向単分子層は、単分子層被覆のために選択された基板の表面の領域にわたって原則的に空隙のない単分子層が形成されるまで、上述した工程を繰り返すことによって提供されうることを発見した。   The inventor also surprisingly found that the densely oriented monolayer of adsorbed organic acid moieties is forced to use organic acids, also referred to herein as the “disordered state” of the acid for convenience. It has been discovered that it can be formed on a hydrolyzable surface of a substrate in a form that does not have a long-range order. Not to be bound by theory, when adsorbing to the substrate surface at the contact interface between the acid source and the surface of the substrate, the conditions under which the acid is used to provide an adsorbed monolayer according to the process of the present invention. Thus, it is considered that the film is self-assembled into an oriented monolayer film. The inventor also surprisingly selected a densely oriented monolayer of organic acid that spans a wide range of hydrolyzable surfaces, essentially free of void areas in the coating, for monolayer coating. It has been discovered that it can be provided by repeating the above-described process until a monolayer that is essentially free of voids is formed over a region of the surface of the fabricated substrate.

本発明者は、本明細書中に示される工程が、本発明のコーティングを形成する前記酸種(コーティング種)から誘導される多分子層を含むコーティングを形成する結果にならないことを発見した。理論に結びつけるまでもなく、高密度の配向した吸着単分子層を形成するために用いられるコーティング種は、吸着に続く結合の段階の間に、その吸着サイトの近隣の基板表面を「活性化する」と考えられる。理論に結びつけるまでもなく、さらに、この「活性化」は、後の処理サイクルの間、結合した単分子層コーティングを支える表面の一部分に近接した表面上に、コーティング種の選択吸着を導き、その結果、他のコーティング方法でみられる多分子層形成よりも、基板の広い領域にわたる単分子層被覆を与えると考えられる。   The inventor has discovered that the process shown herein does not result in the formation of a coating comprising a multi-molecular layer derived from said acid species (coating species) that forms the coating of the present invention. Without being bound by theory, the coating species used to form a densely oriented adsorbed monolayer “activate” the substrate surface in the vicinity of its adsorption site during the binding step following adsorption. "it is conceivable that. Not to be bound by theory, this “activation” further leads to selective adsorption of coating species on the surface in close proximity to the portion of the surface that supports the bound monolayer coating during subsequent processing cycles, As a result, it is believed to provide a monolayer coating over a larger area of the substrate than the multi-layer formation found in other coating methods.

本明細書中に述べたように、および理論に結びつけるまでもなく、本発明のコーティング工程は、すべての加水分解性表面に、および特に酸化物を含む表面に、本発明のコーティングを提供するために適用できると考えられる。本発明は酸化物を含む表面について記述され、以下に例示されるが、同様の原理が、以下の記述と同様のプロトン移動過程によって活性化される酸化物以外の種を含む表面にも適用されうると理解されるであろう。したがって、例えばむきだしの窒化ケイ素表面は大気環境にさらされると加水分解して保護的な酸化物コーティングを形成することが知られている。このような酸化物コーティングは、本明細書中に記載される原理に従って、有機酸から誘導される本発明のコーティングが塗布されうる加水分解性表面を提供する。また、むきだしの窒化ケイ素表面は、表面が先に加水分解して酸化物表面にならないように表面がコーティング工程の間湿度から保護される場合、大気中の湿度によって加水分解される前に、同様の原理に従って本発明のコーティングが塗布されうる加水分解性表面を提供すると理解されるであろう。コーティングを誘導する酸種による加水分解を受けうる他の非酸化物表面も同様に、本明細書中に記載される本発明の原理に従って有機酸部分を含む単分子層コーティングが提供されうると考えられるであろう。   As mentioned herein and without needing to be bound by theory, the coating process of the present invention is intended to provide the coating of the present invention on all hydrolyzable surfaces and in particular on oxide-containing surfaces. It is thought that it is applicable to. The present invention is described with respect to oxide-containing surfaces and is exemplified below, but the same principles apply to surfaces containing species other than oxides activated by the same proton transfer process as described below. It will be understood that it is possible. Thus, for example, bare silicon nitride surfaces are known to hydrolyze to form a protective oxide coating when exposed to an atmospheric environment. Such oxide coatings provide a hydrolyzable surface to which a coating of the present invention derived from an organic acid can be applied according to the principles described herein. Also, bare silicon nitride surface is the same before being hydrolyzed by atmospheric humidity if the surface is protected from humidity during the coating process so that the surface does not hydrolyze first to become an oxide surface. It will be understood that the present invention provides a hydrolyzable surface to which the coating of the present invention can be applied. It is contemplated that other non-oxide surfaces that can be subject to hydrolysis by acid species that induce coatings can also be provided with monolayer coatings that include organic acid moieties in accordance with the principles of the invention described herein. Will be done.

以下に基板の酸化物表面に結合した高密度単分子層を調製する工程、本発明の単分子層の提供に使用する適当な有機酸、および本発明の高密度の、配向した、表面に結合した有機酸ベースの単分子層を有する基板の調製に用いるのに適した酸化物表面を有するまたは有するように作製されうる基板について記述する。   The following is a process for preparing a high density monolayer bonded to the oxide surface of the substrate, a suitable organic acid used to provide the monolayer of the present invention, and a high density, oriented, surface bonded of the present invention. A substrate having or that can be made to have an oxide surface suitable for use in the preparation of a substrate having an organic acid-based monolayer is described.

吸着層に関して本明細書中で用いられる場合、高密度配向単分子層という用語は、配置が表面上に吸着した種の最密充填の二次元の「結晶様」配列に近づくような、単分子層を含む個々の酸種の配列を含む。   As used herein with reference to an adsorbing layer, the term densely oriented monolayer is a monomolecule whose arrangement approaches a close packed two-dimensional “crystal-like” arrangement of species adsorbed on the surface. Contains an array of individual acid species including layers.

この型の充填を有する単分子層は、例えばその全体が参照として本明細書中に組み込まれる、NevesらによってLangmuir 2001,17,pp8193−8198に記載されるマイカ基板に吸着したオクタデシルホスホン酸のような、欠陥発生の少ない非常に規則的な表面に観察された。Nevesらは、マイカ表面に有機酸(オクタデシルホスホン酸)の低濃度溶液を接触させることが、表面のまばらな被覆、つまり大きな「空隙」が表面被覆に散在する単分子層被覆の「アイランド」を含む表面ではあるが、酸の組織化された単分子層領域の形態で酸種が表面上に吸着する結果になることを観察した。Nevesらは、マイカ表面の有機酸の低濃度溶液との接触が実質的に表面の巨視的領域のすべてを覆う単分子層膜を提供するときの条件を同定していない。Nevesらはまた、十分に高濃度のオクタデシルホスホン酸溶液のマイカ表面への接触は、マイカ表面上の広く分散した領域(「アイランド」)にホスホン酸の多分子層を含むドメインをはじめに堆積させることを観察した。余剰の溶液をマイカ基板の表面から除いた後(研究された特定の酸では規則性が高く欠陥の少ない、強い吸着力を有する表面)、Nevesらは、まばらに覆われた表面では、多分子層は時間がたつと再分布して、被覆されない空隙領域が散在するが、二次元の結晶様構造を有する高密度の単分子層領域を形成することを時間をかけて観察した。Nevesらは、これらの単分子層領域が拡大して、実質的に空隙を含まず、同時に表面の一部の領域に多分子層を積層せず、表面全体を覆いうることは観察していない。Nevesらは、さらに、この方法を他の基板に適用すると多分子層アイランドのみを与えることを観察した。したがって、ガラス、シリコンまたはガリウムヒ素の自然酸化物表面は、組織化されていない多分子層の吸着膜のみを与える。   Monolayers with this type of packing are, for example, octadecylphosphonic acid adsorbed on mica substrates as described by Neves et al. In Langmuir 2001, 17, pp 8193-8198, which is incorporated herein by reference in its entirety. It was observed on a very regular surface with few defects. Neves et al. Contacted a mica surface with a low concentration solution of an organic acid (octadecylphosphonic acid) to create a sparse coating of the surface, that is, an “island” of monolayer coating in which large “voids” are scattered in the surface coating It was observed that the acid species was adsorbed on the surface in the form of a monolayer region of acid organized, although on the containing surface. Neves et al. Have not identified conditions when contact with a low concentration solution of organic acid on the mica surface provides a monolayer that covers substantially all of the macroscopic area of the surface. Neves et al. Also contact the mica surface with a sufficiently concentrated octadecylphosphonic acid solution to first deposit domains containing multi-layers of phosphonic acid in widely dispersed regions ("islands") on the mica surface. Was observed. After removing the surplus solution from the surface of the mica substrate (surface with high regularity and low defects for the specific acid studied), Neves et al. The layers redistributed over time, interspersed with void areas that were not covered, but were observed over time to form dense monolayer regions with a two-dimensional crystal-like structure. Neves et al. Have not observed that these monomolecular layers are enlarged and do not substantially contain voids, and at the same time do not deposit a multi-molecular layer on a portion of the surface, covering the entire surface. . Neves et al. Further observed that applying this method to other substrates gives only multi-layer islands. Thus, the native oxide surface of glass, silicon or gallium arsenide provides only an unstructured multi-layered adsorption film.

分子種の二次元のアレイは、例えばK.BlodgettによってJournal of the American Chemical Society,1935(vol.57)pp.1007〜1022に記載されるような、より密度の高い液体の表面に1分子の次元の組織化された膜を形成する、より密度の高い非混和性の第2の液体種の上の第1の液体種に、配列した層を形成するのに十分な二次元の力をかけることを必要とする、古典的に形成されたラングミュア−ブロジェット単分子層にもみられる。   Two-dimensional arrays of molecular species are described in, for example, K.K. Brodgett, Journal of the American Chemical Society, 1935 (vol. 57) pp. A first over a denser, immiscible second liquid species that forms a one-dimensional dimensional organized film on the surface of the denser liquid, as described in 1007-1022. It is also found in classically formed Langmuir-Blodgett monolayers that require the application of two dimensional forces sufficient to form an ordered layer on the liquid species.

上述したように、強制的な長距離組織化を用いない、例えばラングミュア−ブロジェット膜の形成で提供されるような、基板表面上に組織化された単分子層を提供するための従来技術の工程は、規則性が高く欠陥の少ない表面および単分子層種のまばらな被覆に限られる。   As noted above, prior art for providing a monolayer organized on a substrate surface, such as provided in the formation of Langmuir-Blodgett films, without forced long-range organization. The process is limited to sparse coatings of highly regular surfaces with few defects and monolayer species.

本発明者は、有機酸部分、例えばホスホン酸部分を含む、実質的に空隙領域を含まず基板表面の巨視的領域を覆う、高密度の配向した有機単分子層は:(i)基板表面の少なくとも一部分に、有機酸種を含む吸着した高密度の配向した単分子層を形成する、および(ii)単分子層を含む種を基板表面に結合させる、を含む工程を、原則的に空隙を含まず基板の所望の領域を覆う、表面に結合した単分子層が形成されるまで繰り返すことによって形成されうることを発見した。   The inventor has developed a densely oriented organic monolayer comprising an organic acid moiety, such as a phosphonic acid moiety, substantially free of void areas and covering a macroscopic area of the substrate surface: (i) Forming, at least in part, an adsorbed, densely oriented monolayer comprising an organic acid species, and (ii) binding the species comprising the monolayer to the substrate surface. It has been discovered that it can be formed by iterating until a monolayer bonded to the surface is formed that covers the desired area of the substrate without being included.

工程
本発明は、(a)過剰の加水分解性官能基を含む表面を有する基板を提供する;(b)複数の少なくとも1つの有機酸種を含む高密度配向単分子層膜を基板表面に吸着させ、前記薄膜はさらに、単分子層を含む多数の各有機酸種のうち少なくとも1つの酸官能基が基板表面の加水分解性官能基と会合するように配向することを特徴とする;および(c)吸着した単分子層を含む有機酸部分の表面に会合した酸官能基の大部分を、基板表面を含む加水分解性官能基に結合させるために必要な条件を供給する;を含む、少なくとも1つの有機酸種から誘導される部分を含む、基板表面に結合した単分子層コーティングを提供する。さらに、本発明の工程は、実質的に基板の選択された部分の全体が、実質的に多分子層で覆われる基板の領域がなく、および実質的に単分子層の被覆が欠ける基板の領域がない、基板に結合した単分子層で覆われるまで繰り返されてもよい。ほとんどの応用で前記工程の連続的なサイクルが高速で連続して行われ、連続的なコーティング操作が時間的におよび/または位置的に遠隔で行われうるが、本発明の範囲に含まれると理解されるであろう。また、上述のさまざまな工程段階は原則的に同時に、または時間的におよび/または位置的に遠隔で、または同じ位置で時間を隔てて行うことができ、本発明の範囲に含まれると理解されるであろう。
Process The present invention provides (a) a substrate having a surface containing excess hydrolyzable functional groups; (b) adsorbing a densely aligned monolayer film comprising a plurality of at least one organic acid species on the substrate surface And wherein the thin film is further oriented so that at least one acid functional group of a plurality of organic acid species including a monomolecular layer associates with a hydrolyzable functional group on the substrate surface; c) providing conditions necessary to bind the majority of the acid functional groups associated with the surface of the organic acid moiety comprising the adsorbed monolayer to the hydrolyzable functional group comprising the substrate surface; A monolayer coating bonded to a substrate surface is provided that includes a portion derived from one organic acid species. Further, the process of the present invention provides for a region of the substrate in which substantially the entire selected portion of the substrate is substantially free of regions of the substrate that are covered with the multilayer and substantially lacks monolayer coverage. May be repeated until covered by a monolayer attached to the substrate. For most applications, continuous cycles of the process can be performed continuously at high speed, and continuous coating operations can be performed remotely in time and / or location, but are within the scope of the present invention. Will be understood. It is also understood that the various process steps described above can in principle be performed simultaneously, remotely in time and / or location, or at the same location and separated in time and are within the scope of the present invention. It will be.

本発明の工程は、酸化物を含む加水分解性官能基を含む、および好ましくは基板表面の加水分解性官能基がオキシド官能基である基板表面を用いて以下に記述され、例示されるが、前記工程は他の加水分解性官能基を含む基板で行うことができ、本発明の範囲に含まれると理解されるであろう。   The process of the present invention is described and exemplified below using a substrate surface comprising a hydrolyzable functional group comprising an oxide, and preferably the hydrolyzable functional group on the substrate surface being an oxide functional group, It will be understood that the above steps can be performed on substrates containing other hydrolyzable functional groups and are within the scope of the present invention.

高密度配向吸着単分子層の提供
基板表面に結合した高密度配向単分子層を提供する不可欠な段階は、結合した単分子層が形成される有機酸種の吸着した単分子層を基板表面の少なくとも一部分に提供することである。吸着した単分子層は、さらに有機酸種の高密度の配向した配列を有することを特徴とする。好ましくは、前記有機酸種は基板に会合している酸官能基を有する。有機酸種の吸着した高密度配向単分子層(本明細書中で便宜上「高密度単分子層」とも表す)を提供するために任意の方法が用いられうると理解されるであろう。これらの用語は上記に定義された通りである。
Providing a densely oriented adsorbed monolayer An essential step in providing a densely oriented monolayer bonded to the substrate surface is to adsorb the adsorbed monolayer of the organic acid species on which the bonded monolayer is formed. To provide at least a portion. The adsorbed monolayer is further characterized by having a high density oriented array of organic acid species. Preferably, the organic acid species has an acid functional group associated with the substrate. It will be understood that any method can be used to provide a densely oriented monolayer with adsorbed organic acid species (also referred to herein as a “dense monolayer” for convenience). These terms are as defined above.

利便性およびスケーラビリティの立場から好ましい吸着単分子層を形成する方法は:(i)コートされる基板の一部分の表面を、吸着単分子層が形成される有機酸種の低濃度溶液に接触させる;(ii)段階(i)に続けて、基板表面の少なくとも一部分の上の、高密度配向有機単分子層が脱離する条件下で、残留溶液を基板表面との接触から除去する;および(iii)残留溶液の除去の後に、または残留溶液の除去と同時に、吸着した有機酸単分子層と会合した実質的にすべての溶媒を単分子層から除去する;を含む。   Methods for forming a preferred adsorption monolayer from the standpoint of convenience and scalability include: (i) contacting the surface of a portion of the substrate to be coated with a low concentration solution of an organic acid species on which the adsorption monolayer is formed; (Ii) following step (i), removing the residual solution from contact with the substrate surface under conditions where the densely oriented organic monolayer on at least a portion of the substrate surface is detached; and (iii) And) removing substantially all of the solvent associated with the adsorbed organic acid monolayer after removal of the residual solution or simultaneously with removal of the residual solution from the monolayer.

このデポジション手順の段階(i)を行うための1つの方法は、以下に記述するように、低い酸濃度を有する酸溶液に表面を浸けることである。表面を浸ける1つの方法は単分子層がデポジットされる基板またはその表面の一部分を、酸のバルクの溶液に浸すことによる(ディップコーティング)。表面を浸けるもう1つの方法は、単分子層が吸着する表面または基板表面の一部分をぬらすのに通常必要な量を超える量で、多量の酸溶液を表面上に分注することである(ドロップコーティング)。例えば噴霧、フォギング、スピンコーティングなどの他の方法も基板表面を酸溶液に浸けるのに用いられうると理解されるであろう。   One method for performing step (i) of this deposition procedure is to immerse the surface in an acid solution having a low acid concentration, as described below. One method of immersing the surface is by immersing the substrate on which the monolayer is deposited or a portion of the surface in a bulk solution of acid (dip coating). Another way to immerse the surface is to dispense a large amount of acid solution onto the surface in an amount that exceeds what is normally required to wet the surface to which the monolayer adsorbs or a portion of the substrate surface. coating). It will be appreciated that other methods such as spraying, fogging, spin coating, etc. can also be used to immerse the substrate surface in the acid solution.

典型的には、基板表面を有機酸溶液と接触させた直後に、高密度配向吸着単分子層が脱離する条件下で、表面に接触している溶液の残りを表面との接触から除去する工程が始められる。以下に詳細を述べるように、表面の少なくとも一部分に吸着した酸種の高密度配向単分子層が脱離する条件下で、溶液を表面との接触から除去することが重要である。   Typically, immediately after contacting the substrate surface with an organic acid solution, the rest of the solution in contact with the surface is removed from contact with the surface under conditions where the densely oriented adsorption monolayer is desorbed. The process begins. As described in detail below, it is important to remove the solution from contact with the surface under conditions where the densely oriented monolayer of acid species adsorbed on at least a portion of the surface is desorbed.

「ディップコーティング」の工程の段階(i)は、基板を多量の酸溶液(バルク溶液)の液面の下に、酸種の吸着単分子層が塗布される基板の表面が、バルク溶液の液面を含む面(メニスカス面)に原則的に垂直に配置されるように吊るすことによって簡便に行うことができる。「ディップコーティング」の工程の段階(ii)(基板表面の少なくとも一部分の上の、高密度配向有機単分子層が脱離する条件下で、残留溶液を基板との接触から除去する)は、その後、蒸発するバルク溶液の表面のメニスカスが吸着単分子層が塗布される領域で基板表面を横切るように、バルク溶液の溶媒を蒸発させることによって簡便に行うことができる。   In step (i) of the “dip coating” process, the surface of the substrate on which the adsorption monolayer of acid species is applied is placed under the liquid surface of a large amount of acid solution (bulk solution). It can be simply performed by suspending so as to be arranged perpendicularly to a plane (meniscus plane) including the plane. Step (ii) of the “dip coating” process (removing the residual solution from contact with the substrate under conditions where the densely oriented organic monolayer on at least a portion of the substrate surface is desorbed) The bulk solution solvent can be simply evaporated by evaporating the bulk solution solvent so that the meniscus on the surface of the bulk solution to be evaporated crosses the substrate surface in the region where the adsorption monolayer is applied.

一般に蒸発は、基板をバルク溶液中に吊るした後、24時間以下、好ましくは約4時間以下の時間行うことが好ましい。しかしながら、溶液中の有機酸の濃度およびコートされる基板表面の酸の親和力に依存して、より長いまたはより短い時間が用いられうる。また、このコーティング方法を用いる場合、以下に詳細を説明するように、低い酸濃度のバルク溶液を用いることが好ましい。特に好ましくは、用いられる特定の酸および溶媒について、バルク溶媒を蒸発させた後吸着単分子層を塗布する間、残留溶液中の酸もまた酸の臨界ミセル濃度または飽和濃度より低い濃度であるように、酸濃度は臨界ミセル濃度または飽和濃度より十分低い濃度である(以下に議論する)。   In general, the evaporation is preferably performed for 24 hours or less, preferably about 4 hours or less after the substrate is suspended in the bulk solution. However, longer or shorter times can be used depending on the concentration of organic acid in the solution and the acid affinity of the substrate surface to be coated. When this coating method is used, it is preferable to use a bulk solution having a low acid concentration, as will be described in detail below. Particularly preferably, for the particular acid and solvent used, during application of the adsorbed monolayer after evaporation of the bulk solvent, the acid in the residual solution will also be at a concentration below the critical micelle concentration or saturation concentration of the acid. In addition, the acid concentration is sufficiently lower than the critical micelle concentration or saturation concentration (discussed below).

表面を酸溶液に浸ける「ドロップコーティング」の工程の段階(i)は、コーティングが塗布される基板表面を水平に設置し、酸の単分子層が吸着する表面のその部分に溶液が「溜まる」ように、計測された量の酸溶液を表面に分注する。ドロップコーティングの工程が用いられる場合、工程の段階(ii)(基板表面の少なくとも一部分の上の、高密度配向有機単分子層が脱離する条件下で、残留溶液を基板との接触から除去する)は、ガス流、例えば窒素を、基板表面を横切って有機酸の単分子層が吸着する領域に向け、ガス流が表面を横切るガス/溶液界面をもたらし、徐々に表面から残留溶液を流し去るように、ガス流を表面に流すことによって簡便に達成されうる。   Stage (i) of the “drop coating” process, where the surface is immersed in an acid solution, places the substrate surface on which the coating is applied horizontally, and the solution “stores” on that portion of the surface where the acid monolayer adsorbs. As such, a measured amount of acid solution is dispensed onto the surface. If a drop coating process is used, process step (ii) (residual solution is removed from contact with the substrate under conditions where the densely oriented organic monolayer on at least a portion of the substrate surface is detached) ) Directs a gas stream, for example nitrogen, across the substrate surface to the region where the monolayer of organic acid is adsorbed, resulting in a gas / solution interface across the surface that gradually flushes residual solution off the surface Thus, it can be conveniently achieved by flowing a gas flow over the surface.

余剰のコーティング溶液を基板表面との接触から除去するためのこれらの2つの方法のどちらかの使用は、また、段階(iii)、原則的に余剰溶液の基板表面と接触からの除去と同時に、吸着した単分子層と会合した実質的にすべての溶媒の蒸発、も達成すると理解されるであろう。例えば:(i)表面を過剰な有機酸溶液であふれさせる;(ii)基板の回転速度を上げて余剰溶液を機械的に振り払うことによって、余剰溶液を表面との接触から除去する;および(iii)回転している表面に向けたガス流によって溶媒をとばす、を含むスピンコーティング工程などの他の方法も、有機酸種の吸着した高密度配向単分子層の塗布に用いられうると考えられるであろう。他のコーティング方法も当業者に知られている。   The use of either of these two methods to remove excess coating solution from contact with the substrate surface also includes step (iii), essentially simultaneously with removal of excess solution from contact with the substrate surface, It will be appreciated that evaporation of substantially all of the solvent associated with the adsorbed monolayer is also achieved. For example: (i) flooding the surface with excess organic acid solution; (ii) removing excess solution from contact with the surface by increasing the rotational speed of the substrate and mechanically shaking away the excess solution; and (iii) It is believed that other methods such as spin-coating processes, which include stripping the solvent with a gas stream directed toward the rotating surface, can also be used to apply densely aligned monolayers adsorbed with organic acid species. I will. Other coating methods are known to those skilled in the art.

本発明者は、本明細書中に記載された原理に従って表面に残った余剰溶液を除去しない単純なバルク溶液のディップコーティング、または、ドロップコーティングとその後の「溜まった」溶液の基板表面からの単純な蒸発は、一般に、結果的に基板表面上に高密度の配向した吸着した有機酸種の単分子層を形成しないことを観察した。したがって、以下に記述する原理に従って溶液を表面との接触から除去せずに、酸溶液を用いた吸着酸層を提供することによる基板表面に結合した有機層を提供する試みは、規則性のない有機多分子層が提供されるだけの結果になる。   The inventor has found that a simple bulk solution dip coating that does not remove excess solution remaining on the surface in accordance with the principles described herein, or a simple drop solution and subsequent “reserved” solution from the substrate surface. It has been observed that such evaporation generally does not result in the formation of a densely oriented, adsorbed organic acid species monolayer on the substrate surface. Thus, attempts to provide an organic layer bonded to the substrate surface by providing an adsorbed acid layer using an acid solution without removing the solution from contact with the surface according to the principles described below are non-regular. The result is simply an organic multilayer.

残った酸溶液を表面との接触から除去するための上述の方法に共通する1つの性質は、これらの方法は、酸の吸着単分子層が提供される基板表面の一部分を、基板表面と酸の吸着単分子層をデポジットする酸溶液の表面とを含む界面で横切らせるなんらかの方法を用いていることである。理論に結びつけるまでもなく、上述の原理に従って酸溶液が表面に接触するとき、基板表面と酸溶液表面との接点で界面が形成されると考えられる。上述したように、このような界面の例は、基板表面と、蒸発するときのバルク溶液の表面との間の接点である。このような界面の他の例は、水平に配置した基板表面上に存在する「溜まった」溶液のエッジでの接点である。さらに、再び理論に結びつけるまでもなく、溶液の表面と基板表面との間の界面で、溶液に溶解した酸種は、そこから本発明の高密度配向単分子層がデポジットされる配向した凝集体に自己組織化すると考えられる。したがって、酸溶液を基板表面上の吸着単分子層を提供するために用いる工程に、酸を自己組織化させ表面に酸の単分子層を形成させるように、基板表面を基板表面/溶液表面の界面でゆっくりと横切らせることで基板表面から残りの溶液を除去するための任意の処理を用いることができると理解されるであろう。このように酸溶液の表面と基板表面との間の接点で基板表面をゆっくりと横切らせることを用いた、高密度配向吸着単分子層のデポシションは、本明細書中で便宜的に酸溶液メニスカスを基板表面を横切らせる、とも表す。   One property common to the above-described methods for removing residual acid solution from contact with the surface is that these methods divide a portion of the substrate surface on which the acid adsorption monolayer is provided with the substrate surface and the acid. A method of crossing the adsorbed monomolecular layer at the interface including the surface of the acid solution to be deposited. Needless to say, it is considered that when the acid solution contacts the surface according to the above-described principle, an interface is formed at the contact point between the substrate surface and the acid solution surface. As mentioned above, an example of such an interface is the contact between the substrate surface and the surface of the bulk solution as it evaporates. Another example of such an interface is a contact at the edge of a “reserved” solution present on a horizontally disposed substrate surface. Furthermore, it goes without saying again that the acid species dissolved in the solution at the interface between the surface of the solution and the substrate surface are oriented aggregates from which the densely oriented monolayer of the present invention is deposited. It is thought to be self-organizing. Thus, the step of using an acid solution to provide an adsorbed monolayer on the substrate surface causes the substrate surface to be a substrate surface / solution surface so that the acid self-assembles and forms an acid monolayer on the surface. It will be appreciated that any process for removing the remaining solution from the substrate surface by slowly traversing at the interface can be used. Deposition of densely adsorbed monolayers using such a slow traversal of the substrate surface at the contact point between the surface of the acid solution and the substrate surface is conveniently referred to herein as an acid solution meniscus. Is also expressed as crossing the substrate surface.

本発明者は、上述の単純な「ディップ」コーティングを用いた場合、典型的には1回のデポジション操作は表面の約90%の高密度配向単分子層での被覆を提供することを発見した。1回の操作で提供された吸着単分子層を結合させることによって、および当該基板上で「ディップ」コーティング操作を繰り返すことで、被覆された表面領域を増大させることができる。このようなディップコーティングおよび結合のサイクルは、実質的に表面全体が有機単分子層で覆われるまで繰り返されうる。場合によっては、酸種の濃度を高くして1回の塗布で高度な被覆が得られる。例えば本明細書中に記載されるように、溶液の凝集もしくは溶解性の問題のためにそれが実用的ではない場合、または表面が酸種を、もしくは高濃度の酸種に攻撃されても、弱くしか吸着しない場合、本発明者は、「ディップ」コーティング操作の繰り返しサイクルでは非常に低い濃度に酸種を用いて、広い表面領域にわたる実質的に完全な単分子層表面被覆を提供できることを発見した。   The inventor has discovered that with the simple “dip” coating described above, typically a single deposition operation provides a coating with about 90% densely oriented monolayer of the surface. did. The coated surface area can be increased by combining the adsorbed monolayer provided in a single operation and by repeating the “dip” coating operation on the substrate. Such a dip coating and bonding cycle can be repeated until substantially the entire surface is covered with an organic monolayer. In some cases, a high degree of coating can be obtained with a single application by increasing the concentration of the acid species. For example, as described herein, if it is impractical due to solution agglomeration or solubility problems, or the surface is attacked by acid species or high concentrations of acid species, If only weakly adsorbed, the inventor has found that repeated cycles of “dip” coating operations can use acid species at very low concentrations to provide a substantially complete monolayer surface coating over a large surface area. did.

本発明に従って提供されたコーティングの改善された表面被覆を実証するために、従来技術によって調製された単分子層膜を、例えば原子間力顕微鏡のような表面プローブ顕微鏡技術を用いて調べると、膜の完全な領域、すなわち被覆膜が欠けている領域を含まない表面の被覆は、ナノメートルのオーダーのサイズを有する。本発明者は、驚いたことに、本発明の工程によって調製された膜では、結合した単分子層の厚さを測るためのピンホール欠陥を見つけるためにさえ、有機単分子層膜を数十ミクロンの範囲にわたって調べなければならないことを発見した。   In order to demonstrate the improved surface coverage of the coating provided in accordance with the present invention, a monolayer film prepared by the prior art is examined using surface probe microscopy techniques such as atomic force microscopy. The complete coating of the surface, ie the surface coating that does not include the region lacking the coating film, has a size on the order of nanometers. The inventor surprisingly found that in films prepared by the process of the present invention, several dozen organic monolayer films could be found even to find pinhole defects to measure the thickness of the bonded monolayer. I found that I had to look over the micron range.

上述したように、高密度配向吸着有機単分子層を提供するために溶液法が用いられる場合、「低い」または「臨界ミセル濃度より低い」酸濃度を有する溶液が好ましく用いられる。「臨界ミセル濃度」の用語は、Kozo Shinodaによって、Solvent Properties of Surfactant Solutions,(1967),Marcel Dekker,Inc.N.Y.,Part 2,chapter 3,“Solvent Properties of Nonionic Surfactants in Aqueous Solutions”,page 42.に議論されている。溶液中の種の臨界ミセル濃度(CMC)は溶解した種がミセル構造を形成するのに十分な濃度レベルを表す。したがって、CMCより低い濃度では、溶解した種は溶媒「シェル」に囲まれた単分子の種として存在し、CMCを超える濃度では、溶解した種は溶液中でミセル「ドメイン」中に凝集する。Nevesらによって観察されたように、上述の議論のように、表面の、凝集した構造、すなわちミセルおよび二分子層を含む溶液との接触は、表面に接触した溶解した材料の多分子層を与える。したがって、吸着単分子層を提供するために酸溶液を使用する本発明の工程では、臨界ミセル濃度より低い酸濃度を有する溶液を用いることが好ましい。   As noted above, when solution methods are used to provide a densely oriented adsorption organic monolayer, solutions having an acid concentration of “low” or “below critical micelle concentration” are preferably used. The term “critical micelle concentration” is described by Kozo Shinoda in Solvent Properties of Surfactant Solutions, (1967), Marcel Dekker, Inc. N. Y. , Part 2, chapter 3, “Solvent Properties of Nonionic Surfactants in Aqueous Solutions”, page 42. Have been discussed. The critical micelle concentration (CMC) of a species in solution represents a concentration level sufficient for the dissolved species to form a micelle structure. Thus, at concentrations below CMC, dissolved species exist as unimolecular species surrounded by a solvent “shell”, and at concentrations above CMC, dissolved species aggregate into micelle “domains” in solution. As observed by Neves et al., As discussed above, contact of the surface with an agglomerated structure, ie, a solution containing micelles and bilayers, gives a multilayer of dissolved material in contact with the surface. . Therefore, in the process of the present invention using an acid solution to provide an adsorption monolayer, it is preferable to use a solution having an acid concentration lower than the critical micelle concentration.

酸と溶媒との組み合わせによっては、酸が溶媒に対して溶解度が低すぎて、例えば二分子層などの構造を溶液中で形成しはじめる点に達するのに十分な濃度の溶液を提供できないことが理解されるであろう。知られているように、溶解した種の濃度が溶液の飽和点を超えると、種は結晶の形態で沈殿しはじめる。従って、利便性の立場から、本発明の工程において溶解度の低い酸種と溶媒が用いられた場合、溶質の飽和点より低い酸種の濃度を有する酸溶液を用いることが好ましいと理解されるであろう。したがって、本明細書中で用いられる場合、酸の「低濃度」の用語は、上述の議論を考慮して、特定の酸および溶媒に適した、用いられる溶媒中の酸の飽和溶液より低いか、または酸溶液の臨界ミセル濃度より低い濃度を意味する。以下に詳細に説明するように、本発明の実施形態である溶液法に従って吸着した配向高密度有機単分子層を提供する目的のためには、酸の溶解度の低い溶媒を選択することが好ましい。   Depending on the combination of acid and solvent, the acid may be too poorly soluble in the solvent to provide a solution of sufficient concentration to reach the point where a structure such as a bilayer begins to form in the solution. Will be understood. As is known, when the concentration of dissolved seeds exceeds the saturation point of the solution, the seeds begin to precipitate in crystalline form. Therefore, from the standpoint of convenience, it is understood that when an acid species and solvent having low solubility are used in the process of the present invention, it is preferable to use an acid solution having a concentration of acid species lower than the saturation point of the solute. I will. Thus, as used herein, the term "low concentration" of acid is lower than a saturated solution of acid in the solvent used, suitable for the particular acid and solvent, in view of the discussion above. Or a concentration lower than the critical micelle concentration of the acid solution. As will be described in detail below, it is preferable to select a solvent having low acid solubility for the purpose of providing an oriented high-density organic monolayer adsorbed according to the solution method according to an embodiment of the present invention.

基板表面に吸着単分子層を提供するための前記溶液法においては、酸種の溶液中での溶解度も考慮しなければならない。一般に、単分子層を含む酸種が表面に対してよりも低い親和力を有する溶媒を用いることが好ましい。したがって、酸種の溶解度が高く、そのため基板表面から酸の吸着単分子層を溶離しうるような溶媒はどれも好ましくない。理論に結びつけるまでもなく、酸種がほとんど溶けない、または溶解度の低い溶媒の選択は、これらの用語を実施方法で用いたように、例えば上述のような溶液法が用いられる場合、高密度配向吸着単分子層の基板表面への提供を助ける。基板表面の、酸種および前記酸種の溶解度の低い溶媒を含む溶液との接触において、前記酸の表面に対する親和力が、酸が基板表面上の高密度配向吸着単分子層に自己組織化する駆動力を提供しうると考えられる。   In the solution method for providing the adsorption monolayer on the substrate surface, the solubility of the acid species in the solution must also be taken into account. In general, it is preferable to use a solvent in which the acid species including the monomolecular layer has a lower affinity for the surface. Therefore, any solvent that has a high solubility of the acid species and can elute the acid-adsorbed monolayer from the substrate surface is not preferred. Not to be bound by theory, the choice of a solvent in which the acid species is almost insoluble or poorly soluble can be determined by high density orientation, such as when the solution method as described above is used, as these terms are used in the practice. Helps provide an adsorption monolayer to the substrate surface. In contact of the substrate surface with a solution containing an acid species and a solvent with low solubility of the acid species, the affinity of the acid to the surface drives the acid to self-assemble into a densely oriented adsorption monolayer on the substrate surface. It is thought that it can provide power.

ある酸種の基板表面に対する吸着親和力を支配する原理に従って、酸の高い溶解度を有する溶媒、および好ましいものとして上記に示したものを超える酸濃度もまた、基板表面上に吸着した高密度配向単分子層をデポジットするのに用いられうると理解されるであろう。理論に結びつけるまでもなく、上述から外れる濃度および/または溶媒の条件は、有機酸種と酸の吸着単分子層がデポジットされる基板表面との相互作用が、有機酸種の凝集体のデポジションよりも酸種の単分子層のデポジションを促すほうが十分にエネルギー的に有利である場合、および/またはデポシットされた種と溶解した種との間の平衡がデポジットされた種が有利になる場合、用いられうると考えられる。したがって、デポジション工程の間に吸着した酸種が溶液中に再溶解することが不利になる、および/または表面上への凝集体のデポジションが不利になる、および/または表面に吸着した任意の酸凝集体の単分子層への再分布が有利になる条件は、上述の好ましい条件から外れる条件を用いることを許容し、本発明の工程の範囲内である。   In accordance with the principle governing the adsorption affinity of certain acid species to the substrate surface, solvents with high acid solubility, and acid concentrations exceeding those indicated above as preferred, are also highly oriented single molecules adsorbed on the substrate surface. It will be understood that it can be used to deposit layers. Not to be bound by theory, concentration and / or solvent conditions that deviate from the above can be attributed to the interaction between the organic acid species and the substrate surface on which the acid adsorption monolayer is deposited, and the deposition of organic acid species aggregates. If it is sufficiently energetically advantageous to facilitate the deposition of monolayers of acid species and / or if the species between which the equilibrium between the deposited and dissolved species is deposited is advantageous It can be used. Thus, any acid species adsorbed during the deposition process is disadvantageous to redissolve in the solution and / or aggregate deposition on the surface is disadvantageous and / or any adsorbed to the surface Conditions that favor the redistribution of acid aggregates into monolayers allow use of conditions that deviate from the above preferred conditions and are within the scope of the process of the present invention.

吸着単分子層の基板との結合
本発明の工程において、基板表面に有機酸を含む高密度配向吸着単分子層を提供した後、吸着単分子層の提供から時間的に遠隔、または吸着単分子層の形成と同時でありうる結合させる段階において、前記層は基板表面に結合される。結合させる段階は、単分子層が吸着した領域で基板表面と化学的に結合した単分子層を与える。
Bonding of adsorbed monolayer with substrate In the process of the present invention, after providing a high-density oriented adsorbed monolayer containing an organic acid on the surface of the substrate, remote from the provision of the adsorbed monolayer or in time In the bonding step, which can be simultaneous with the formation of the layer, the layer is bonded to the substrate surface. The bonding step provides a monomolecular layer chemically bonded to the substrate surface in the region where the monomolecular layer is adsorbed.

理論に結びつけるまでもなく、基板表面が酸化物である場合、吸着単分子層を含む有機酸種の表面に会合した酸官能基と、基板の酸化物表面との界面からの水の発生は、吸着した有機酸種と基板の酸化物表面との間の結合を形成するのに不可欠であると考えられる。このため、吸着単分子層を含む有機酸種と基板表面との間の結合を形成するために必要な条件を提供するための1つの方法は、基板および吸着単分子層を加熱することによる。簡便には、100℃を超える温度のオーブンに、吸着単分子層を含む実質的にすべての酸種に基板の酸化物表面との結合を形成させるのに十分な時間、基板および吸着単分子層を設置することによって達成されうる。吸着単分子層および基板表面を含む界面領域の十分なエネルギーを供給する他の方法、例えば放射加熱およびマイクロ波照射を用いてもよいと理解されるであろう。   Not to be bound by theory, when the substrate surface is an oxide, the generation of water from the interface between the acid functional group associated with the surface of the organic acid species including the adsorption monolayer and the oxide surface of the substrate is It is considered essential to form a bond between the adsorbed organic acid species and the oxide surface of the substrate. Thus, one method for providing the conditions necessary to form a bond between an organic acid species containing an adsorbed monolayer and a substrate surface is by heating the substrate and the adsorbed monolayer. Conveniently, the substrate and the adsorbed monolayer for a time sufficient to form a bond with the oxide surface of the substrate in substantially all acid species including the adsorbed monolayer in an oven at a temperature in excess of 100 ° C. It can be achieved by installing. It will be appreciated that other methods of supplying sufficient energy in the interfacial region including the adsorbed monolayer and the substrate surface may be used, such as radiant heating and microwave irradiation.

結合した有機酸種ベースの単分子層の形成は、自然酸化物基板上に物理吸着および化学吸着した水の表面積密度に依存しないと理解されるであろう。実際、本発明の工程およびそれによって提供される単分子層の1つの利点は、単分子層の被覆表面積、すなわち本明細書中で便宜的に表面結合種密度とも表す、単位表面積あたりの表面結合種のモル数は、基板の自然表面上の通常の活性種の密度に関係しない。本発明のこの実施形態は、基板表面の選択された領域に原則的に空隙のない単分子層を塗布できるようにする。有機酸ベースの結合した単分子層による基板表面の巨視的領域の完全な被覆は、上述の工程の段階を繰り返すことによって達成されうる。つまり、完全な単分子層被覆が達成されるまで、有機酸種の吸着した高密度配向単分子層を提供し、その後吸着単分子層を含む有機酸種と基板の酸化物表面との間の結合を形成させることである。   It will be understood that the formation of a combined organic acid species-based monolayer does not depend on the surface area density of water physisorbed and chemisorbed on the native oxide substrate. Indeed, one advantage of the process of the present invention and the monolayer provided thereby is that the surface area bonded per unit surface area, also referred to herein as surface bond species density, for convenience herein, is the surface area of the monolayer. The number of moles of species is not related to the density of normal active species on the natural surface of the substrate. This embodiment of the invention allows a monolayer that is essentially free of voids to be applied to selected areas of the substrate surface. Complete coverage of the macroscopic area of the substrate surface with an organic acid-based bonded monolayer can be achieved by repeating the steps of the process described above. That is, providing a densely oriented monolayer with adsorbed organic acid species until complete monolayer coverage is achieved, and then between the organic acid species containing the adsorbed monolayer and the oxide surface of the substrate. Forming a bond.

上述したように、酸化物以外の表面を有する基板もまた、基板表面が有機酸によって加水分解されうる過剰の官能基を含む場合、および表面が有機酸を含む高密度配向吸着単分子層の塗布のために処理されている場合、本発明に従って有機単分子層コーティングが提供されうる。このような表面の一例として、上述したようにむきだしの窒化ケイ素セラミック表面が挙げられる。他の基板表面も当業者に知られている。   As described above, a substrate having a surface other than an oxide is also applied when the substrate surface contains excess functional groups that can be hydrolyzed by an organic acid, and when the surface is coated with a high-density oriented adsorption monolayer containing an organic acid. Organic monolayer coatings can be provided in accordance with the present invention. An example of such a surface is a bare silicon nitride ceramic surface as described above. Other substrate surfaces are known to those skilled in the art.

有機酸
基板の自然酸化物表面に結合した有機酸ベースの単分子層の提供は、上述の工程で有機酸種の使用を必要とする。本明細書中で用いられる場合、有機酸種の用語はホスホン酸(−PO)、カルボン酸(−COH)、およびスルホン酸(−SOH)から選択される少なくとも1つの酸官能基並びにそれに結合する有機部分を含む部分を有する分子を含む。好ましくは有機酸がホスホン酸およびカルボン酸官能基を含み、有機酸がホスホン酸を含む場合が最も好ましい。酸官能基に結合した有機酸部分はヒドロキシル、スルホン酸、ホスホン酸、カルボン酸、アミノ、アルキル、エーテル、およびチオール官能基からなる群から選択される1以上のさらなる官能基で置換されてもよい。
Providing an organic acid-based monolayer bonded to the native oxide surface of an organic acid substrate requires the use of organic acid species in the process described above. As used herein, the term organic acid species is at least one selected from phosphonic acid (—PO 3 H 2 ), carboxylic acid (—CO 2 H), and sulfonic acid (—SO 3 H). Includes molecules having acid functional groups as well as moieties containing organic moieties attached thereto. Most preferably, the organic acid contains phosphonic acid and carboxylic acid functional groups, and the organic acid contains phosphonic acid. The organic acid moiety attached to the acid functional group may be substituted with one or more additional functional groups selected from the group consisting of hydroxyl, sulfonic acid, phosphonic acid, carboxylic acid, amino, alkyl, ether, and thiol functional groups. .

一般に、本発明に従う有機層の提供に用いられる酸は、約2〜約40の炭素原子を含む有機部分を含むことが好ましく、より好ましくは約2〜約20の炭素原子を含む有機部分を含む。より好ましくは、酸が基板表面に吸着されたときに最密充填配置に加わるように処理された有機部分を含む酸である。   Generally, the acid used to provide the organic layer according to the present invention preferably contains an organic moiety containing about 2 to about 40 carbon atoms, more preferably an organic moiety containing about 2 to about 20 carbon atoms. . More preferably, the acid comprises an organic moiety that has been treated to add to a close packed arrangement when the acid is adsorbed to the substrate surface.

二官能性のまたは多官能性の部分が用いられた場合、官能基のうち少なくとも1つが表面に最も強い親和力を有する官能基とジ−ターミナル(di−terminal)の関係であるような、有機部分上の処理された官能基を有することが好ましいと理解されるであろう。このように、複数の有機酸種を含む単分子層は、基板表面に会合した1つの酸官能基を有する基板表面上に吸着するとき、第二の酸官能基を基板表面から遠くへ向けさせ、したがって第二の酸基は接近しやすくなりさらなる化学反応に関与する。   Organic moieties such that when a difunctional or polyfunctional moiety is used, at least one of the functional groups is in a di-terminal relationship with the functional group having the strongest affinity for the surface It will be appreciated that it is preferable to have the treated functional group above. As described above, when the monomolecular layer including a plurality of organic acid species is adsorbed on the substrate surface having one acid functional group associated with the substrate surface, the second acid functional group is directed away from the substrate surface. Thus, the second acid group becomes accessible and participates in further chemical reactions.

適当な有機部分は、芳香族、複素環式芳香族、並びに飽和および不飽和アルキル部分を含む脂肪族部分から選択される。さらに、有機部分はさらなる脂肪族または芳香族部分および1以上の官能基で置換されてもよい。脂肪族部分は直鎖、分岐、または環状であっても、飽和または不飽和であってもよい。芳香族部分は、例えばビフェニルなどのオリゴマーの化合物、例えばセキシフェニレンなどの直鎖フェニレン、例えばペンタセンおよびアントラセン並びにその複素環アナログなどの多環融合芳香環系、などのポリマーの化合物を含んでもよい。複素環式芳香族部分は、例えばピロールおよびチオフェンなどのモノマーの部分、並びに、例えばオリゴチオフェン、例えばクォーターチオフェンおよびセキシチオフェンなどのオリゴマーおよびポリマーの複素環部分を含んでもよい。   Suitable organic moieties are selected from aromatic, heteroaromatic, and aliphatic moieties including saturated and unsaturated alkyl moieties. In addition, the organic moiety may be substituted with additional aliphatic or aromatic moieties and one or more functional groups. The aliphatic moiety may be linear, branched, or cyclic, saturated or unsaturated. Aromatic moieties may include polymeric compounds such as oligomeric compounds such as biphenyl, for example linear phenylenes such as sexiphenylene, polycyclic fused aromatic ring systems such as pentacene and anthracene and heterocyclic analogs thereof. . Heteroaromatic moieties may include monomeric moieties such as, for example, pyrrole and thiophene, and oligomeric and polymeric heterocyclic moieties such as, for example, oligothiophene, such as quarterthiophene and sexithiophene.

好ましい有機部分は、約2〜約40の炭素原子を有する直鎖または分岐したアルキル部分を含み、さらにヒドロキシル官能基、アミノ官能基、カルボン酸官能基、カルボキシレート官能基、ホスホン酸官能基、ホスホネート官能基、エーテル官能基、およびチオール官能基からなる群から選択される1以上の官能基で置換されてもよい(したがって本発明の有機単分子層が調製される二官能性または多官能性の酸を提供する)。また、好ましくは置換および非置換のペンタセン、置換および非置換のアントラセン、並びに置換および非置換のチオフェンおよびポリチオフェン、並びに置換および非置換のキシレンからなる群から選択される有機部分である。   Preferred organic moieties include linear or branched alkyl moieties having from about 2 to about 40 carbon atoms, and further include hydroxyl, amino, carboxylic acid, carboxylate, phosphonic acid, phosphonate It may be substituted with one or more functional groups selected from the group consisting of functional groups, ether functional groups, and thiol functional groups (thus bifunctional or polyfunctional in which the organic monolayer of the present invention is prepared) Provide acid). Also preferred are organic moieties selected from the group consisting of substituted and unsubstituted pentacene, substituted and unsubstituted anthracene, and substituted and unsubstituted thiophene and polythiophene, and substituted and unsubstituted xylene.

さらに好ましくは、電子受容体および供与体分子として知られているTCNQおよびTTFの誘導体に基づく有機部分であり、その構造を以下に構造Iとして表す。知られているように、TCNQおよびTTFは典型的には有機導電体の提供のための部分構造として用いられる。   More preferred are organic moieties based on derivatives of TCNQ and TTF known as electron acceptor and donor molecules, the structure of which is represented below as Structure I. As is known, TCNQ and TTF are typically used as substructures for providing organic conductors.

Figure 2006517463
Figure 2006517463

電子受容体特性が変化したTCNQの分子誘導体が知られており、例えばその全体が本明細書中に参照として組み込まれる、Yamashita et al,.Journal of Materials:Chemistry,(1998),8(9),pages 1933−1944に記載されている。これらの既知のTCNQは、例えば塩素およびフッ素などの電子吸引性置換基の置換を含み(構造Iに関して、構造上の位置が「e」で表される)、電子受容体としての特性を向上させる。さらに、その代わりにまたはそれに加えて、TCNQはシアノ基で占有された位置を電子吸引基で置換してさらにその電子受容特性を向上させることができることが知られている。   Molecular derivatives of TCNQ with altered electron acceptor properties are known, for example, Yamashita et al., Et al., Which is hereby incorporated by reference in its entirety. Journal of Materials: Chemistry, (1998), 8 (9), pages 1933-1944. These known TCNQs include substitution of electron withdrawing substituents such as, for example, chlorine and fluorine (with respect to structure I, the structural position is represented by “e”) to improve the properties as an electron acceptor. . Further alternatively or in addition, it is known that TCNQ can further improve its electron accepting properties by substituting the positions occupied by cyano groups with electron withdrawing groups.

また、電子供与特性が変化したTTF誘導体化合物も知られている。このような分子は、例えばその全体が本明細書中に参照として組み込まれる、Hasegawa et al.,Synthetic Metals(1997),86,pages 1801−1802に記載されている。記載されているように、TTFも、構造Iに関して、「e」で表される位置を電子供与基で置換してその電子供与特性を向上させることができる。   Also known are TTF derivative compounds with altered electron donating properties. Such molecules are described, for example, in Hasegawa et al., Which is incorporated herein by reference in its entirety. , Synthetic Metals (1997), 86, pages 1801-1802. As described, TTF can also be substituted with respect to structure I for the position represented by “e” with an electron donating group to improve its electron donating properties.

これらのよく知られた原理にしたがって、および上述したように、本発明の有機層の調製に使用される有機酸を含む酸部分の他の群は、TCNQもしくはTTF分子またはこれらの1以上の誘導体に基づく有機部分を含むものである。一例を、構造IIに示す。構造IIはTCNQ誘導体構造に基づく有機部分(括弧で示す)を含むホスホン酸を含む。   In accordance with these well-known principles and as described above, other groups of acid moieties containing organic acids used in the preparation of the organic layers of the present invention are TCNQ or TTF molecules or one or more derivatives thereof. It contains an organic moiety based on An example is shown in Structure II. Structure II includes a phosphonic acid containing an organic moiety (shown in parentheses) based on the TCNQ derivative structure.

Figure 2006517463
Figure 2006517463

上記のホスホン酸誘導体はTCNQ基本構造を含み、ピリジルホスホン酸官能基がTCNQ親化合物のシアノ基の1つを置換している。理解されるように、および上述の議論に従って、この誘導体は構造IIの構造の「e」で表される位置のうち1からすべてを置換する電子吸引基を有してもよい。さらに構造式IIのホスホン酸の任意の残りのシアノ基は、さらにまたはその代わりに、電子吸引基で置換されてもよいと理解されるであろう。また、上記のホスホン酸が他の酸で置換されてもよく、さらなる酸基が構造IIのホスホン酸に付加されてもよいと理解されるであろう。例えば、TCNQのジホスホン酸誘導体が、その全体が本明細書中に参照として組み込まれる、Katz,H.E.,and Schilling,M.L.,Journal of Organic Chemistry,(1991)56,pages 5318−5324に報告されている。Katzのビスホスホン酸分子(上記の構造IIに関する)においては、アスタリスクで示されたシアノ基(構造IIに示すように、右上のシアノ基)は第二のピリジルホスホン酸官能基で置換され、対称なビスホスホン酸を提供する。本発明の有機単分子層が調製されうる多くの他の変化および修飾が可能であると理解されるであろう。   The above phosphonic acid derivative contains the TCNQ basic structure, and the pyridylphosphonic acid functional group replaces one of the cyano groups of the TCNQ parent compound. As will be appreciated, and in accordance with the discussion above, the derivative may have an electron withdrawing group that replaces one to all of the positions represented by “e” in the structure of structure II. It will further be appreciated that any remaining cyano group of the phosphonic acid of structural formula II may be further or alternatively substituted with an electron withdrawing group. It will also be appreciated that the phosphonic acid described above may be substituted with other acids and additional acid groups may be added to the phosphonic acid of structure II. For example, a diphosphonic acid derivative of TCNQ is described in Katz, H., et al., Which is incorporated herein by reference in its entirety. E. , And Schilling, M .; L. , Journal of Organic Chemistry, (1991) 56, pages 5318-5324. In the Katz bisphosphonic acid molecule (with respect to structure II above), the cyano group indicated by an asterisk (as shown in structure II, the upper right cyano group) is substituted with a second pyridylphosphonic acid functional group and is symmetrical. Bisphosphonic acid is provided. It will be appreciated that many other variations and modifications are possible in which the organic monolayers of the present invention can be prepared.

同様に、例えばピリジルホスホン酸などの酸官能基の、構造Iに示したTTF構造の「e」で表した位置の1以上への付加が、本発明のコーティングの調製に有用な電子供与性を有する有機酸を提供することは明らかであろう。したがって、TCNQおよびTTF親化合物から調製される有機導電体に類似した導電性を有する、2つの種の混合物を有する膜も調製されうると理解されるであろう。TCNQおよびTTF親化合物の両方の他の有機酸誘導体が当業者に知られている。   Similarly, the addition of an acid functional group such as pyridylphosphonic acid to one or more of the positions represented by “e” of the TTF structure shown in Structure I provides useful electron donating properties for the preparation of the coatings of the present invention. It will be apparent that an organic acid is provided. Thus, it will be understood that a film having a mixture of the two species can also be prepared that has similar conductivity to the organic conductors prepared from TCNQ and TTF parent compounds. Other organic acid derivatives of both TCNQ and TTF parent compounds are known to those skilled in the art.

また、好ましくは、ホスホン酸は、ニトロフェニルホスホン酸、ベンジルホスホン酸、ブチルホスホン酸、オクチルホスホン酸、ドデシルホスホン酸、オクタデシルホスホン酸、置換および非置換のアントラセンホスホン酸、置換および非置換のペンタセンホスホン酸、置換および非置換のクウォーターチオフェンホスホン酸、11−ヒドロキシウンデシルホスホン酸、置換および非置換のキシリルホスホン酸、約2〜約20の炭素原子を含む炭化水素部分を有するオメガ置換ホスホン酸でありオメガ置換基がそれぞれ独立にカルボン酸、ヒドロキシル、アミノ、ホスホン酸、エーテル、ポリエーテル、およびチオール官能基からなる群から選択される;からなる群から選択される、並びにこれらの酸の2以上の組み合わせである。   Preferably, the phosphonic acid is nitrophenyl phosphonic acid, benzyl phosphonic acid, butyl phosphonic acid, octyl phosphonic acid, dodecyl phosphonic acid, octadecyl phosphonic acid, substituted and unsubstituted anthracene phosphonic acid, substituted and unsubstituted pentacene phosphonic acid. Acids, substituted and unsubstituted quarterthiophenephosphonic acids, 11-hydroxyundecylphosphonic acids, substituted and unsubstituted xylylphosphonic acids, omega-substituted phosphonic acids having a hydrocarbon moiety containing from about 2 to about 20 carbon atoms The omega substituents are each independently selected from the group consisting of carboxylic acid, hydroxyl, amino, phosphonic acid, ether, polyether, and thiol functional groups; and selected from the group consisting of two or more of these acids It is a combination.

さらに、好ましくは、カルボン酸は、約2〜約40の炭素原子を有するアルキルカルボン酸、サリチル酸、並びに置換および非置換のアルキルサリチル酸、安息香酸、並びに置換安息香酸からなる群から選択され、前記置換基が、ヒドロキシル官能基、アミノ官能基、カルボン酸官能基、およびヒドロキシル、アミノ、カルボン酸官能基からなる群から選択される1以上の官能基で置換されてもよい、直鎖または分岐の、置換または非置換の、約2〜約20の炭素原子を有するアルキル部分からなる群から選択される少なくとも1つを含む。   Further preferably, the carboxylic acid is selected from the group consisting of alkyl carboxylic acids having about 2 to about 40 carbon atoms, salicylic acid, and substituted and unsubstituted alkyl salicylic acid, benzoic acid, and substituted benzoic acid, Linear or branched, wherein the group may be substituted with one or more functional groups selected from the group consisting of hydroxyl functional groups, amino functional groups, carboxylic acid functional groups, and hydroxyl, amino, carboxylic acid functional groups, Including at least one selected from the group consisting of substituted or unsubstituted alkyl moieties having from about 2 to about 20 carbon atoms.

また、上述した2以上の有機酸種の混合物が、基板に対する親和力および充填配置を考慮してそれらが適合する範囲で、本発明の工程に用いられうると理解されるであろう。   It will also be understood that the mixture of two or more organic acid species described above can be used in the process of the present invention to the extent that they are compatible in view of the affinity for the substrate and the packing arrangement.

基板表面
本明細書中に記述したように、本発明は基板表面に複数の有機酸種を含む単分子層を結合させる方法である。適当な基板は、金属特性、導電性、半導体特性、および絶縁性(これらの用語は例えば、その全体が本明細書中に参照として組み込まれるWest,Basic Solid State Chemistry,second edition,John Wiley&Sons,New York,pp.110−120に定義される)を有する材料から選択される。本発明の工程での使用に適した基板の例として、特に制限されないが、自然酸化物表面を有する材料、すなわち酸化物を含むまたは大気環境にさらされて自然酸化物を形成する、が挙げられる。酸化物材料の非制限的な例として、シリカおよびアルミナなどのバルク金属酸化物、インジウムがドープされた酸化スズおよび亜鉛/インジウムがドープされた酸化スズのような導電性酸化物、並びに集積回路のゲート絶縁材料の低誘電率ガラスのような酸化物絶縁体が挙げられる。大気にさらされて自然金属酸化物表面を形成する材料の非制限的な例として、例えばチタン、チタン合金、アルミニウム、およびアルミニウム合金などの、大気環境にさらされて融除しない酸化物コーティングを堆積する金属が挙げられる。大気にさらされて自然酸化物層を堆積する材料のさらなる例として、窒化ケイ素などのセラミック材料、シリコンなどの半導体が挙げられる。また、本発明のコーティングの塗布に適するのは、例えば半導体素子の厚膜酸化物絶縁体のような、意図的に与えられる酸化物コーティングを有する材料、並びに、例えばガリウムヒ素、窒化ガリウム、および炭化ケイ素のような酸化物表面から誘導されうるものである。また、本発明の結合した単分子層を提供するための使用に適するのは、加水分解を受け、並びにカルボン酸またはホスホン酸官能基に対する吸着親和力を有し、したがって上述したように本発明の工程を用いて表面に結合しうる官能基を含む有機酸種の高密度配向単分子層の吸着を許容する、特に制限されないが、例えば窒化ケイ素などのむきだしの表面である。
Substrate Surface As described herein, the present invention is a method of bonding a monolayer comprising a plurality of organic acid species to a substrate surface. Suitable substrates are metallic, conductive, semiconducting, and insulating (these terms are, for example, West, Basic Solid State Chemistry, second edition, John Wiley & Sons, New, which is incorporated herein by reference in its entirety. York, pp. 110-120). Examples of substrates suitable for use in the process of the present invention include, but are not limited to, materials having a native oxide surface, i.e., containing oxides or exposed to atmospheric environments to form native oxides. . Non-limiting examples of oxide materials include bulk metal oxides such as silica and alumina, conductive oxides such as indium doped tin oxide and zinc / indium doped tin oxide, and integrated circuit An oxide insulator such as a low dielectric constant glass of a gate insulating material can be given. Non-limiting examples of materials that form natural metal oxide surfaces when exposed to the atmosphere, such as depositing oxide coatings that are exposed to the atmosphere and not ablated, such as titanium, titanium alloys, aluminum, and aluminum alloys Metal to be used. Further examples of materials that are exposed to the atmosphere to deposit a native oxide layer include ceramic materials such as silicon nitride and semiconductors such as silicon. Also suitable for application of the coating of the present invention is a material having a deliberately provided oxide coating, such as a thick film oxide insulator of a semiconductor device, as well as, for example, gallium arsenide, gallium nitride, and carbonized It can be derived from an oxide surface such as silicon. Also suitable for use in providing the bound monolayer of the present invention is subject to hydrolysis and has an adsorptive affinity for carboxylic acid or phosphonic acid functional groups, and thus as described above, the process of the present invention. Although it is not particularly limited, it is a bare surface such as silicon nitride.

特に好ましい基板は、生体組織もしくは流体に接触させるための電子的または機械的素子の調製に有用な基板である。電子素子の調製に有用な基板の一例として、インビトロおよびインビボの診断並びに条件のモニターに適した生体電子センサーに用いられるゲート接合上の厚膜酸化物絶縁層が挙げられる。機械的素子の調製に有用な表面の一例として、生体内移植で骨組織の修復に有用なチタン補強剤などの移植材料が挙げられる。   Particularly preferred substrates are those useful for the preparation of electronic or mechanical elements for contacting living tissue or fluids. One example of a substrate useful for the preparation of electronic devices is a thick oxide insulating layer on a gate junction used in bioelectronic sensors suitable for in vitro and in vivo diagnostics and condition monitoring. An example of a surface useful for the preparation of a mechanical element is a graft material such as a titanium reinforcement useful for bone tissue repair in vivo.

上述したように、適当な表面にはシリコン単結晶表面などの半導体基板の表面が含まれる。適当な表面にはまた、例えばチタンおよびその合金、アルミニウムおよびその合金などの金属並びにシリコンなどの多結晶性基板の表面も含まれる。また、例えば酸化物導体または酸化物絶縁体の表面のような非晶質基板の表面も含まれる。酸化物導体の例としてはFe、導電性のためにインジウムおよび/または亜鉛をドープした酸化スズ、導電性のためにアルミニウムをドープした酸化亜鉛、酸化亜鉛、並びにTiOおよびVOなどの半化学量論的酸化物が挙げられる。 As described above, suitable surfaces include the surface of a semiconductor substrate such as a silicon single crystal surface. Suitable surfaces also include, for example, metals such as titanium and its alloys, aluminum and its alloys, and the surfaces of polycrystalline substrates such as silicon. Also included is the surface of an amorphous substrate, such as the surface of an oxide conductor or oxide insulator. Examples of oxide conductors include Fe 3 O 4 , tin oxide doped with indium and / or zinc for electrical conductivity, zinc oxide doped with aluminum for electrical conductivity, zinc oxide, and semi-metals such as TiO and VO. Stoichiometric oxides are mentioned.

また、好ましくは、例えば窒化ケイ素および炭化ケイ素などのセラミック基板、並びに、例えばゲルマニウムおよび半導体性ゲルマニウムベースの化合物などの半導体である。   Also preferred are ceramic substrates such as silicon nitride and silicon carbide, and semiconductors such as germanium and semiconducting germanium based compounds.

酸化物基板表面が用いられる場合、一般に酸化物表面を、残留金属および有機物を除去するために表面を洗浄することで、一般には酸化処理の後、水でリンスすることで、単分子層のデポジションに備えなければならない。例えば単結晶または多結晶シリコンウエハー表面などの、このような処理に対して安定な表面では、ウエハー上に集積回路を微細加工する前にシリコンウエハーを洗浄するために典型的に行われる方法で、前記表面は標準的な過酸化水素/硫酸の「ピラニア」溶液で処理され、その後水でリンスされ、標準的な過酸化水素/塩酸の「バザード」溶液で2回目の処理が行われうる。一般に、本発明の工程は、塩基種、ゼロ原子価金属、および残留炭化水素種がない酸化物表面で最良の結果を与える。しかしながら、例えば酸化物導体などの、半導体の標準の厳しい洗浄ができない表面でも、本発明の工程はなお、基板の酸化物表面とよい表面コンフォメーションを示す単分子層を提供する。特定の表面に対して、これらの表面に典型的な不要な種を除去するために適用できる他の洗浄方法が、当業者に知られている。   When an oxide substrate surface is used, the oxide surface is generally cleaned by washing the surface to remove residual metals and organics, and typically by rinsing with water after the oxidation treatment, thereby removing the monolayer. You have to prepare for the position. For a surface that is stable to such processing, such as a monocrystalline or polycrystalline silicon wafer surface, a method typically used to clean a silicon wafer prior to microfabrication of an integrated circuit on the wafer, The surface can be treated with a standard hydrogen peroxide / sulfuric acid “piranha” solution, then rinsed with water, and a second treatment with a standard hydrogen peroxide / hydrochloric acid “buzzard” solution. In general, the process of the present invention gives the best results on oxide surfaces that are free of base species, zero valent metals, and residual hydrocarbon species. However, even on surfaces that cannot be subjected to standard rigorous cleaning of semiconductors, such as oxide conductors, the process of the present invention still provides a monolayer that exhibits good surface conformation with the oxide surface of the substrate. Other cleaning methods that are applicable to specific surfaces to remove unwanted species typical of these surfaces are known to those skilled in the art.

実施例
本発明は加水分解性表面に広く適用できるが、以下の実施例は、ホスホン酸またはカルボン酸ベースの有機層の単分子層を、単結晶シリコン基板、チタン合金基板、およびインジウムをドープした酸化スズ基板の酸化物表面上へのデポジションを示す。実施例は本発明の工程およびそれによって形成される膜の例示を意図するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。以下に例示する材料および工程段階に多くの修正が可能であり、それらがなお本発明の工程および膜の範囲内であることが理解されるであろう。
EXAMPLES The present invention is broadly applicable to hydrolyzable surfaces, but the following examples are doped with monolayers of phosphonic acid or carboxylic acid based organic layers, single crystal silicon substrates, titanium alloy substrates, and indium. The deposition on the oxide surface of a tin oxide substrate is shown. The examples are intended to illustrate the process of the present invention and the film formed thereby, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be appreciated that many modifications can be made to the materials and process steps exemplified below and still be within the scope of the process and membranes of the present invention.

実施例1.シリコン基板上へのホスホン酸のデポジション
シリコン基板を用いる実施例の全てにおいて、基板は以下のように準備した。単結晶シリコン(100)の研磨した12インチウエハー(ユニヴァーシティ ウエハー(University Wafer)の在庫品)は切り込みを入れて割ることによって正方形のクーポンに切り分けた。クーポンは約0.55mmの厚さ(ウエハーの厚さ)を有し、およそ平行な2組の各8mm長さの辺、および、したがって2つの64mmの正方形の面を有する。はじめに硫酸/過酸化水素溶液(濃(95〜97%)HSO水溶液:30%Hが1:3 v/v、本明細書中で便宜上ピラニア溶液ともいう)でクーポンを約15分間煮沸して、わずかな金属および有機物をクーポンから除去した。ピラニア溶液で処理した後、クーポンを約6〜7回脱イオン水の流水でリンスした。リンスした水を合わせた全体積は約140mlであった。リンスの後、塩酸/過酸化水素溶液(32%HCl水溶液:30%Hが1:1 v/v、本明細書中で便宜上「バザード」溶液ともいう)でクーポンを約15分間煮沸した。バザード溶液で処理した後、クーポンを約6〜7回、18.2メガオームの脱イオン水の流水(全体積は約1リットル)でリンスし、約10mTorrの真空下で少なくとも24時間乾燥した。
Example 1. Deposition of phosphonic acid onto a silicon substrate In all of the examples using a silicon substrate, the substrate was prepared as follows. Single-crystal silicon (100) polished 12 inch wafers (University Wafer inventory) were cut into square coupons by slitting and breaking. The coupon has a thickness of about 0.55 mm (wafer thickness) and has two sets of approximately 8 mm long sides each in parallel, and thus two 64 mm 2 square faces. First, a coupon is made with a sulfuric acid / hydrogen peroxide solution (concentrated (95 to 97%) H 2 SO 4 aqueous solution: 30% H 2 O 2 is 1: 3 v / v, also referred to as a piranha solution for convenience in this specification). Boiled for 15 minutes to remove some metal and organics from the coupon. After treatment with the piranha solution, the coupon was rinsed with running deionized water about 6-7 times. The total volume of the rinsed water combined was about 140 ml. After rinsing, the coupon is boiled for about 15 minutes with a hydrochloric acid / hydrogen peroxide solution (32% aqueous HCl: 30% H 2 O 2 is 1: 1 v / v, also referred to herein as a “buzzard” solution for convenience). did. After treatment with the buzz solution, the coupon was rinsed about 6-7 times with a stream of 18.2 megohm deionized water (total volume about 1 liter) and dried under a vacuum of about 10 mTorr for at least 24 hours.

実施例の全てにおいて、ホスホン酸ベースの単分子層のシリコン基板の酸化物表面上へのデポジションは、選択されたホスホン酸を含む単分子層を基板の0.5cmの面に吸着させ、その後基板および吸着単分子層を加熱して、基板表面を含むオキシド官能基と吸着単分子層を含むホスホン酸種との間の結合を形成させることによって行った。 In all of the examples, the deposition of a phosphonic acid-based monolayer on the oxide surface of a silicon substrate causes the monolayer containing the selected phosphonic acid to be adsorbed on the 0.5 cm 2 face of the substrate, The substrate and adsorbed monolayer were then heated to form a bond between the oxide functional group containing the substrate surface and the phosphonic acid species containing the adsorbed monolayer.

全ての実施例で、以下の操作を吸着したホスホン酸ベースの単分子層を基板表面に塗布するために用いた。上述のように準備したシリコン基板のクーポンを、深く口径の狭いビーカー(トールビーカー、一定の酸溶液の体積で酸溶液が比較的長い柱状になる)に入れたホスホン酸溶液中に基板を吊るすために設計されたホルダーに設置した。酸溶液に浸したクーポンを保持し、並びにクーポンの2つの辺および64mmの面がホスホン酸溶液の表面メニスカスを含む面(メニスカス面)に実質的に垂直に向くようにホルダーを設置する。選択されたホスホン酸の溶液は、以下に示す濃度で、秤量した酸をテトラヒドロフラン(THF、市販品、テクニカルグレード溶媒、使用前にベンゾフェノンナトリウムから蒸留)に室温で溶解させて調製した。 In all examples, the following procedure was used to apply an adsorbed phosphonic acid-based monolayer to the substrate surface. To suspend a substrate in a phosphonic acid solution in which a coupon for a silicon substrate prepared as described above is placed in a beaker having a narrow diameter (a tall beaker, in which the acid solution becomes a relatively long column with a certain volume of acid solution). It was installed in the holder designed. The coupon is soaked in the acid solution and the holder is placed so that the two sides of the coupon and the 64 mm 2 surface are oriented substantially perpendicular to the surface containing the surface meniscus of the phosphonic acid solution (meniscus surface). A solution of the selected phosphonic acid was prepared by dissolving the weighed acid in tetrahydrofuran (THF, commercial product, technical grade solvent, distilled from sodium benzophenone before use) at the following concentrations at room temperature.

約40mlの体積のホスホン酸溶液を50ml容量のトールビーカーに入れた。ホルダーを用いて、基板の最上端の辺が溶液のメニスカス面より下に浸されるように基板をビーカーの中に吊るした。クーポンを溶液に浸した後すぐに、溶媒をビーカーから蒸発させて溶液の体積を減らし、溶媒の蒸発にしたがってホスホン酸溶液のメニスカスが、吊るされたクーポンの面(基板表面)を横切るようにした。残留溶液のメニスカス面がクーポンの下端より下に位置するまで大気条件下で蒸発を行った。上述のように、蒸発させてクーポンの表面を酸溶液のメニスカスで横切らせるために必要な溶媒の量を最小にし、したがって基板表面へのホスホン酸の吸着単分子層のデポジションの間のビーカーの中の酸溶液の濃度変化を最小にするためのバルク溶媒の容器としてトールビーカーを選択した。溶液の調製に用いた酸の量は、蒸発させる段階の後でも、残ったバルクの酸溶液が溶液の飽和濃度より低い酸濃度を有するように選択した。例えば、11−ヒドロキシウンデシルホスホン酸のデポジションの場合、初期濃度0.1mMのTHF溶液を調製した。蒸発させた後、残留溶液は33%の濃度の増加があり、これは室温で見積もられるTHF中の当該酸の飽和濃度である約25mM〜約50mMよりも低い。   About 40 ml of phosphonic acid solution was placed in a 50 ml tall beaker. Using the holder, the substrate was suspended in a beaker so that the uppermost side of the substrate was immersed below the meniscus surface of the solution. Immediately after the coupon is immersed in the solution, the solvent is evaporated from the beaker to reduce the volume of the solution so that the meniscus of the phosphonic acid solution crosses the surface of the suspended coupon (substrate surface) as the solvent evaporates. . Evaporation was performed under atmospheric conditions until the meniscus surface of the residual solution was below the lower end of the coupon. As described above, the amount of solvent required to evaporate and cross the coupon surface across the meniscus of the acid solution is minimized, and thus the beaker's adsorption during the deposition of the phosphonic acid adsorption monolayer on the substrate surface. A tall beaker was selected as the bulk solvent container to minimize the concentration change of the acid solution therein. The amount of acid used to prepare the solution was chosen so that, even after the evaporation step, the remaining bulk acid solution had an acid concentration below the saturation concentration of the solution. For example, in the case of deposition of 11-hydroxyundecylphosphonic acid, an initial concentration 0.1 mM THF solution was prepared. After evaporation, the residual solution has a 33% increase in concentration, which is lower than the saturated concentration of the acid in THF estimated at room temperature, from about 25 mM to about 50 mM.

上述の手順に従って、吸着したホスホン酸単分子層を有する多くのシリコンクーポンを調製した。各デポジションで、吸着単分子層の調製に用いた酸および溶液中の酸濃度を表Iに示す。   A number of silicon coupons with adsorbed phosphonic acid monolayers were prepared according to the procedure described above. Table I shows the acid used to prepare the adsorbed monolayer and the acid concentration in the solution at each deposition.

Figure 2006517463
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酸の吸着単分子層を基板に吸着させた後、各クーポンを約130℃で動作する対流式オーブンに入れて約48時間加熱した。48時間後クーポンをオーブンから取り出し大気中で室温まで冷却した。その後、吸着したまたは多分子層に凝集した物質を超音波槽(ブランソン(Branson))で超音波洗浄によって除去するために、以下の手順に従ってクーポンを処理した。   After the acid adsorption monolayer was adsorbed to the substrate, each coupon was placed in a convection oven operating at about 130 ° C. and heated for about 48 hours. After 48 hours, the coupon was removed from the oven and cooled to room temperature in the atmosphere. The coupon was then processed according to the following procedure to remove the adsorbed or aggregated material in the ultrasonic bath (Branson) by ultrasonic cleaning.

11−ヒドロキシウンデシルホスホン酸に基づく有機単分子層を約30分間、約50℃に加熱したトリエチルアミン/エタノール溶液中で超音波洗浄した。他の単分子層種で調製したクーポンは、0.5M炭酸カリウム溶液(2:1 v/v エタノール/水、本明細書中で便宜上「炭酸リンス溶液」とも表す)中で室温で約20分間超音波洗浄した。長時間の超音波洗浄(すなわち2時間またはそれ以上の時間の超音波洗浄)はシリコン基板をエッチングしうることがわかった。したがって、クーポンの保護されていない辺の切り込みによってシリコン基板表面から有機単分子層が除去されることを防ぐために、炭酸リンス溶液中での過剰な時間の超音波洗浄は回避する。   An organic monolayer based on 11-hydroxyundecylphosphonic acid was ultrasonically washed in a triethylamine / ethanol solution heated to about 50 ° C. for about 30 minutes. Coupons prepared with other monolayer species are about 20 minutes at room temperature in 0.5 M potassium carbonate solution (2: 1 v / v ethanol / water, also referred to herein as “carbonated rinse solution” for convenience). Ultrasonic washed. It has been found that prolonged ultrasonic cleaning (ie, ultrasonic cleaning for 2 hours or more) can etch the silicon substrate. Therefore, excessive time ultrasonic cleaning in a carbonic acid rinsing solution is avoided in order to prevent the organic monolayer from being removed from the silicon substrate surface by cutting the unprotected edges of the coupon.

単分子層で被覆した基板の調製に用いられる表Iに列記したそれぞれの酸種について、列記したホスホン酸に基づく基板を有するクーポンを、基板表面との結合の性質、基板に結合した層の厚さ、および層を含む種の配向を調べるために分析した。平行して(後述する)表面に結合した後で有機単分子層を含む種の充填密度を決定するために、特別に調製した水晶振動子マイクロバランスの研究も行った。   For each acid species listed in Table I used for the preparation of a substrate coated with a monolayer, a coupon having a substrate based on the listed phosphonic acid is bound to the nature of the bond to the substrate surface, the thickness of the layer bonded to the substrate. And analyzed to examine the orientation of the species including the layers. A specially prepared quartz crystal microbalance study was also conducted to determine the packing density of species containing organic monolayers after binding to the surface in parallel (described below).

有機単分子層中で基板に結合した官能基を調べるために、上述の手順に従って調製した高密度有機単分子層を有するクーポンを、正反射率赤外分光によって(IR、Surface Optics Corp.製反射率ヘッドを装着したMidac Model 2510分光光度計)既知の手順に従って分析した。各サンプルで行われたIR分析によって、基板の酸化物表面のオキシド官能基と吸着単分子層の構成要素のホスホン酸官能基との間の結合が生じていることが確かめられた。基板に結合した有機層の厚さを決定し、基板に結合した有機層の単分子層特性を調べるために、上述の手順に従って調製したクーポンをさらにX線反射率法および原子間力顕微鏡で測定した。   In order to investigate the functional groups bound to the substrate in the organic monolayer, a coupon with a dense organic monolayer prepared according to the procedure described above was analyzed by specular reflectance infrared spectroscopy (IR, Reflection from Surface Optics Corp. A Midac Model 2510 spectrophotometer equipped with a rate head) was analyzed according to known procedures. IR analysis performed on each sample confirmed that there was a bond between the oxide functional group on the oxide surface of the substrate and the phosphonic acid functional group of the constituents of the adsorbed monolayer. In order to determine the thickness of the organic layer bonded to the substrate and to investigate the monolayer properties of the organic layer bonded to the substrate, the coupons prepared according to the above procedure were further measured with X-ray reflectometry and atomic force microscopy did.

シリコン基板上の高密度有機単分子層の原子間力顕微鏡測定
基板上の有機単分子層の原子間力顕微鏡(AFM)分析は、シリコンチップ(ナノデバイセズ メトロジー プローブス(Nanodevices Metrology Probes)、共鳴周波数:300kHz、ばね定数:40N/m)を装着したデジタル インスツルメンツ マルチモード ナノスコープ IIIa SPM(Digital Instruments Multimode Nanoscope IIIa SPM)を用いてタッピングモードで行った。
Atomic Force Microscope Measurement of High Density Organic Monolayer on Silicon Substrate Atomic Force Microscope (AFM) analysis of organic monolayer on substrate is performed using silicon chip (Nanodevices Metrology Probes, resonance frequency: 300 kHz, spring constant: 40 N / m) was performed in a tapping mode using a Digital Instruments Multimode Nanoscope IIIa SPM (Digital Instruments Multimode IIIa SPM).

X線反射率測定
X線反射率測定は、国立シンクロトロン光源(National Synchrotron Light Source,NSLS)で、ビームラインX10bを用いて波長λ=0.087nmで行った。測定は反射率モード(Θ〜2Θ)で行い、面法線に沿った運動量移動q(q=4π/λsinΘ)を得た。NaI検出器を用いた。試料スリットを0.6mmにセットし、検出器スリットを0.8mmにセットした。バックグラウンドレベルを調べるためにロッキングスキャンを行った。試料を横向きに固定することによって、入射ビームを試料以外の物質から隔離した。膜の分析は空気中で行った。Parrattの式(動的散乱)に基づくフリープログラムを用いてデータを解析した。
X-ray reflectivity measurement The X-ray reflectivity measurement was performed with a national synchrotron light source (NSLS) at a wavelength λ = 0.087 nm using a beam line X10b. The measurement was performed in the reflectance mode (Θ to 2Θ), and a momentum shift q z (q z = 4π / λ sin Θ) along the surface normal was obtained. A NaI detector was used. The sample slit was set to 0.6 mm and the detector slit was set to 0.8 mm. A rocking scan was performed to check the background level. The incident beam was isolated from materials other than the sample by fixing the sample sideways. Membrane analysis was performed in air. Data was analyzed using a free program based on the Parratt equation (dynamic scattering).

実施例1〜3のそれぞれで調製された膜のAFMおよびX線分光法のデータを以下の表IIに示す。α−クウォーターチオフェン−2−ホスホン酸の場合、X線分析によって、基板表面にデポジットされた高密度有機単分子層の表面粗さが、下の基板表面の単分子層のデポジションの前の表面粗さを超えないことも確かめられた。これは本発明の単分子層が高度な表面コンフォメーションを示すことを意味する。   The AFM and X-ray spectroscopy data for the films prepared in each of Examples 1-3 are shown in Table II below. In the case of α-quaterthiophene-2-phosphonic acid, the surface roughness of the dense organic monolayer deposited on the substrate surface is determined by X-ray analysis to determine the surface of the underlying substrate surface prior to the deposition of the monolayer. It was also confirmed that the roughness was not exceeded. This means that the monolayer of the present invention exhibits a high degree of surface conformation.

Figure 2006517463
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表IIのこれらのデータは、単分子層は任意の実施例のホスホン酸種を用いて形成することができ、一般に前記単分子層は、基板表面に垂直方向からわずかだけ傾いた、有機単分子層を含むホスホン酸種の配向を示すことを表す。   These data in Table II show that monolayers can be formed using the phosphonic acid species of any example, and generally the monolayer is an organic monomolecule that is slightly inclined from the normal to the substrate surface. Represents the orientation of the phosphonic acid species including the layer.

水晶振動子マイクロバランス充填密度測定
上述した手順に従って調製したホスホン酸ベースの表面に結合した単分子層種の密度を、シリコン基板のかわりにシリコン電極搭載水晶振動子マイクロバランスを用いて手順を繰り返すことによって測定した。これらの結晶のモデル酸化物表面としての使用、および表面結合種による結晶の質量増加の測定における使用は、その全体が参照として本明細書中に組み込まれる、Gawalt et al.,Langmnir 2003,Vol.19,pp200−204に詳細に記載されている。上述のデポジション手順を、0.05mMのオクタデシルホスホン酸/THF溶液または0.0025mMのα−クウォーターチオフェン−2−ホスホン酸/THF溶液を用いて追った。各処理サイクル(高密度のホスホン酸ベースの単分子層の吸着およびその酸化物表面官能基との結合)の後、結合した高密度のホスホン酸ベースの単分子層を含む結晶を、「炭酸リンス」溶液のフラッシング流で、その後脱イオン水の水流でリンスした。次いで結晶を約10mTorrの真空下に約2時間置き、残った水分を結晶から蒸発させた。このリンスおよび蒸発のサイクルを、連続するサイクルの後で、全ての多分子層種が表面から除去されたことを意味する一定の振動数を結晶が示すまで繰り返した。このように調製した結晶を用いてマイクロバランス測定を行った。それぞれのマイクロバランス測定の後、漸近線が質量増加に達するまで結晶に再び処理サイクルを施した。水晶振動子の酸化物表面に結合した高密度有機単分子層を含む表面結合種の密度を以下の表IIIに示す。
Quartz Crystal Microbalance Packing Density Measurement The density of monolayer species bound to a phosphonic acid-based surface prepared according to the procedure described above is repeated using a quartz crystal microbalance with a silicon electrode instead of a silicon substrate. Measured by. The use of these crystals as model oxide surfaces and in the measurement of crystal mass gain due to surface-bound species has been described by Gawalt et al., Which is incorporated herein by reference in its entirety. , Langmnir 2003, Vol. 19, pp 200-204. The deposition procedure described above was followed using 0.05 mM octadecylphosphonic acid / THF solution or 0.0025 mM α-quaterthiophene-2-phosphonic acid / THF solution. After each processing cycle (adsorption of high density phosphonic acid based monolayer and its binding with oxide surface functional groups), the crystals containing the bound high density phosphonic acid based monolayer are expressed as “Carbonate Rinse”. The solution was rinsed with a flushing stream followed by a stream of deionized water. The crystals were then placed under a vacuum of about 10 mTorr for about 2 hours to evaporate the remaining moisture from the crystals. This rinsing and evaporation cycle was repeated after successive cycles until the crystals exhibited a constant frequency meaning that all multi-layer species had been removed from the surface. Microbalance measurement was performed using the crystals thus prepared. After each microbalance measurement, the crystals were re-cycled until the asymptote reached a mass increase. Table III below shows the density of surface-bound species including a high-density organic monolayer bonded to the oxide surface of the quartz crystal.

Figure 2006517463
Figure 2006517463

表IIIのデータは、オクタデシルホスホン酸ベースの単分子層が約18.5平方オングストローム/単分子層を含む分子単位に対応する充填密度をもつことを示す。これは脂肪族材料の脂肪族鎖の最密充填の結晶でみられる値とおよそ一致する。表IIのデータは、また、α−クウォーターチオフェン−2−ホスホン酸ベースの単分子層が約25.1平方オングストローム/単分子層を含む分子単位に対応する充填密度をもつことを示す。これは結晶性α−クウォーターチオフェン−2−ホスホン酸でみられる値(23.4〜25.6平方オングストローム/分子単位)とおよそ一致する。最後に、表IIのデータは、また、11−ヒドロキシウンデシルホスホン酸ベースの単分子層が約20.5平方オングストローム/分子単位に対応する充填密度をもつことを示す。この値はマイカ表面に吸着したオクタデシルホスホン酸の高密度単分子層の充填密度として報告されている値と同等である。これらのデータは前記単分子層が基板表面上に高密度の充填配置を有することを示す。上述したように、マイカ上のオクタデシルホスホン酸のまばらな単分子層吸着について報告された充填は、マイカ以外の表面でのオクタデシルホスホン酸の吸着ではこれまで観察されなかった。   The data in Table III shows that the octadecylphosphonic acid based monolayer has a packing density corresponding to molecular units comprising about 18.5 square angstroms / monolayer. This is approximately in agreement with the value seen in the closely packed crystals of the aliphatic chain of the aliphatic material. The data in Table II also shows that α-quaterthiophene-2-phosphonic acid based monolayers have a packing density corresponding to molecular units comprising about 25.1 square angstroms / monolayer. This is approximately consistent with the value found for crystalline α-quaterthiophene-2-phosphonic acid (23.4 to 25.6 square angstroms / molecular unit). Finally, the data in Table II also shows that 11-hydroxyundecylphosphonic acid based monolayers have a packing density corresponding to about 20.5 square angstroms / molecular unit. This value is equivalent to the value reported as the packing density of the high-density monomolecular layer of octadecylphosphonic acid adsorbed on the mica surface. These data indicate that the monolayer has a dense packing arrangement on the substrate surface. As noted above, the reported packing for sparse monolayer adsorption of octadecylphosphonic acid on mica has not been observed so far for adsorption of octadecylphosphonic acid on surfaces other than mica.

比較例A−バルクのα−クウォーターチオフェン−2−ホスホン酸溶液を用いたシリコンの処理
α−クウォーターチオフェン−2−ホスホン酸の0.1mMTHF溶液を上述のように調製した。上述のように準備したシリコン基板クーポンを前記溶液に室温で3日間浸した。その後上述の手順にしたがって前記クーポンを前記溶液から取り出しリンスした。リンスしたクーポンを上述のように加熱した。有機層の形成はみられなかった。
Comparative Example A-Treatment of silicon with bulk α- quaterthiophene-2-phosphonic acid solution A 0.1 mM THF solution of α-quaterthiophene-2-phosphonic acid was prepared as described above. The silicon substrate coupon prepared as described above was immersed in the solution at room temperature for 3 days. The coupon was then removed from the solution and rinsed according to the procedure described above. The rinsed coupon was heated as described above. Formation of the organic layer was not observed.

上述のように調製したα−クウォーターチオフェン−2−ホスホン酸溶液100mlを60℃に加熱した。上述のように準備したシリコン基板クーポンを加熱した加熱した酸溶液に14日間浸した。この期間の後、上述の手順に従って前記クーポンを前記溶液から取り出し、乾燥させ、オーブンで加熱した。続けてデポジットされた有機層をAFMで分析し、有機層が調製に用いたα−クウォーターチオフェン−2−ホスホン酸から誘導されたホスホン酸部分の多分子層を含むことが示された。   100 ml of the α-quaterthiophene-2-phosphonic acid solution prepared as described above was heated to 60 ° C. The silicon substrate coupon prepared as described above was immersed in a heated acid solution for 14 days. After this period, the coupon was removed from the solution according to the procedure described above, dried and heated in an oven. Subsequent analysis of the deposited organic layer by AFM showed that the organic layer contained a multi-layer of phosphonic acid moieties derived from the α-quaterthiophene-2-phosphonic acid used in the preparation.

次の一連の実施例はオメガ官能基を有するホスホン酸に基づく本発明の高密度有機単分子層のさらなる誘導体化を例示する。   The following series of examples illustrates further derivatization of the dense organic monolayers of the present invention based on phosphonic acids having omega functionality.

実施例4−シリコン基板に結合した高密度有機単分子層のペプチド誘導体化
本実施例では、上述の実施例1Aの工程に従う、11−ヒドロキシウンデシルホスホン酸に基づく高密度有機単分子層を有するシリコン基板を、単分子層を含む構成要素種に存在する末端ヒドロキシル官能基を用いて有機層に生体分子を付加することによって、さらに誘導体化した。ヒドロキシル官能基をマレイミド誘導体エステル(すなわち3−マレイミドプロピオン酸エステル、本明細書中で便宜上「誘導体エステル」とも表す)への変換によって誘導体化し、誘導体エステルをテトラペプチドArg−Gly−Asp−Cys(RGDC)のシステイン残基と反応させ、表面に結合した有機単分子層に、チオールエステル官能基を介して結合したテトラペプチドを得た。本実施例で用いたRGDCペプチドは、システイン残基をC−末端で付加することによって誘導体化したフィブロネクチンRGD含有細胞結合ペプチドであり、市販されている(アメリカンペプチド(American Peptide))。
Example 4-Peptide derivatization of a dense organic monolayer bonded to a silicon substrate This example has a dense organic monolayer based on 11-hydroxyundecylphosphonic acid, following the process of Example 1A above. The silicon substrate was further derivatized by adding biomolecules to the organic layer using terminal hydroxyl functionality present in the component species including the monolayer. The hydroxyl functional group is derivatized by conversion to a maleimide derivative ester (ie, 3-maleimidopropionic acid ester, also referred to herein as “derivative ester” for convenience), and the derivative ester is converted to the tetrapeptide Arg-Gly-Asp-Cys (RGDC). The tetrapeptide bound to the organic monolayer bound to the surface via a thiol ester functional group was obtained. The RGDC peptide used in this example is a fibronectin RGD-containing cell-binding peptide derivatized by adding a cysteine residue at the C-terminus, and is commercially available (American Peptide).

結合したペプチドを導く一連の誘導体化反応は、以下の手順に従って行った。実施例1A(上述)に従って調製した、11−ヒドロキシウンデシルホスホン酸を用いて調製した高密度有機単分子層を有するクーポンを、無水条件下で、3−マレイミド(プロピオン酸−N−ヒドロキシスクシニミド)エステルの、徹底して乾燥させたアセトニトリルで調整した1mMアセトニトリル溶液15mL中に設置した。溶液を無水条件下で保持し、室温で24時間クーポンを溶液中で撹拌した。その後クーポンを大気条件下で溶液から取り出し、ブランソン(登録商標)超音波槽で、アセトニトリルで3回超音波洗浄することによってリンスした。上述の手順に従ってIR分析を行い、基板表面に結合した有機単分子層を含むホスホン酸部分の末端のヒドロキシル基は、かなりの程度で、誘導体エステル付加体に変換されたことが示された。   A series of derivatization reactions leading to conjugated peptides were performed according to the following procedure. A coupon with a dense organic monolayer prepared using 11-hydroxyundecylphosphonic acid prepared according to Example 1A (described above) was prepared under anhydrous conditions using 3-maleimide (propionic acid-N-hydroxysuccini). Mid) ester was placed in 15 mL of a 1 mM acetonitrile solution prepared with thoroughly dried acetonitrile. The solution was kept under anhydrous conditions and the coupon was stirred in the solution for 24 hours at room temperature. The coupon was then removed from the solution under atmospheric conditions and rinsed by sonicating 3 times with acetonitrile in a Branson (R) ultrasonic bath. IR analysis was performed according to the procedure described above and showed that the hydroxyl group at the end of the phosphonic acid moiety containing the organic monolayer attached to the substrate surface was converted to a derivative ester adduct to a considerable extent.

15mLの2回蒸留したミリポア(Millipore)(商標)ろ過した水に、上述のRGDCペプチド10mgを含む溶液を調製し、0.05MのNaOH水溶液を用いてpH6.5に調節した。上記で調製した誘導体エステル付加体を有する有機単分子層を含むクーポンをRGDC溶液中に設置し、室温で約24時間撹拌した。クーポンを溶液から取り出し、2回蒸留した水で超音波洗浄することによってリンスした。クーポンを真空ラインに移し、真空(約10mTorr)で24時間乾燥させた。上述の手順に従ってFTIR分析を行い、RGDCペプチド表面のシステイン残基のメルカプト基が、有機単分子層に結合した誘導体エステル付加体とチオールエーテル結合を形成していることが示された。これはマレイミド誘導体エステルのカルボニル領域の変化およびカルボン酸領域(〜1700cm−1)のブロードニングから明らかになった。これらのIRの特徴は、2回の溶媒でのリンスの後でも残存することがわかり、クーポンに結合したRGDCテトラペプチドの存在が示された。 A solution containing 10 mg of the above RGDC peptide was prepared in 15 mL of twice distilled Millipore ™ filtered water and adjusted to pH 6.5 using 0.05 M aqueous NaOH. The coupon containing the organic monolayer having the derivative ester adduct prepared above was placed in the RGDC solution and stirred at room temperature for about 24 hours. The coupon was removed from the solution and rinsed by sonication with double distilled water. The coupon was transferred to a vacuum line and dried under vacuum (about 10 mTorr) for 24 hours. FTIR analysis was performed according to the procedure described above, and it was shown that the mercapto group of the cysteine residue on the RGDC peptide surface formed a thiol ether bond with the derivative ester adduct bound to the organic monolayer. This became clear from the change of the carbonyl region of maleimide derivative ester and the broadening of the carboxylic acid region (˜1700 cm −1 ). These IR features were found to remain after two solvent rinses, indicating the presence of RGDC tetrapeptide bound to the coupon.

上述のように調製したRGDC誘導体化シリコンクーポンを生きている細胞に接触させ、表面が細胞の増殖および表面への接着を促す能力を決定した。以下の細胞を接触試験に用いた:
(a)ヒト胎児骨芽細胞(HFOB 1.19;ATCC)を、ハムF12とダルベッコ変法イーグル培地(DMEM)との1:1混合物、フェノールレッド不含、(ギブコ ビー アール エル(GIBCO,BRL))、10%ウシ胎仔血清(ハイクローン ラボラトリーズ(Hyclone Laboratories))、および0.3mg/mlのG418 ジェネティシン(Geneticin)(インビトロジェン(Invitrogen))中に保持した;
(b)DMEMおよび10%仔ウシ血清(ハイクローンラボラトリーズ)中で培養したNIH 3T3細胞;
(c)DMEMおよび10%ウシ胎仔血清中で培養したヒトメラノーマ細胞(A375)、ヒトフィブロサクローマ細胞(HT1080)およびSV40形質転換ヒトフィブロブラスト(WI38−VA13);並びに
(d)DMEM、10%胎児クローンII血清(ハイクローンラボラトリーズ)、1%非必須アミノ酸、および1mg/mlジェネティシン中で培養したα4(CHOα4)、α5(CHOα5)、またはαvB3インテグリンを発現したチャイニーズハムスター卵巣細胞。
RGDC derivatized silicon coupons prepared as described above were contacted with living cells to determine the ability of the surface to promote cell growth and adhesion to the surface. The following cells were used for contact testing:
(A) Human fetal osteoblasts (HFOB 1.19; ATCC), 1: 1 mixture of Ham F12 and Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM), phenol red free, (GIBCO, BRL )) 10% fetal calf serum (Hyclone Laboratories), and 0.3 mg / ml G418 Geneticin (Invitrogen);
(B) NIH 3T3 cells cultured in DMEM and 10% calf serum (High Clone Laboratories);
(C) human melanoma cells (A375), human fibrosacroma cells (HT1080) and SV40 transformed human fibroblasts (WI38-VA13) cultured in DMEM and 10% fetal bovine serum; and (d) DMEM, 10% Fetal clone II serum (High clone laboratories), Chinese hamster ovary cells expressing α4 (CHOα4), α5 (CHOα5), or αvB3 integrin cultured in 1% non-essential amino acids and 1 mg / ml geneticin.

細胞を指定した培地中で培養皿で培養し、PBS中の0.2mg/mlのEDTA中の2.5%トリプシンを用いて組織培養皿から取り出し、完全培地に再懸濁させた。約5×10個の細胞を、上述のようにRGDCで誘導体化したSi基板を含むウェルに加え、PBSに溶かした1%BSAで30分間ブロックした。細胞を誘導体化した表面上で約1.5時間増殖させ、表面に接着した細胞数並びに、アクチン細胞骨格のストレスファイバーへの細胞内組織化および接着斑(アクチンストレスファイバーをインテグリン受容体および細胞外基質に結合させるプロテインリッチ複合体)の形成の程度を光学顕微鏡で定期的に調べた。組織化並びに増殖を、接着細胞および組織を蛍光色素で染色して可視化し、蛍光顕微鏡を用いて検出した。 Cells were cultured in designated dishes in culture dishes, removed from tissue culture dishes using 2.5% trypsin in 0.2 mg / ml EDTA in PBS and resuspended in complete medium. Approximately 5 × 10 4 cells were added to wells containing Si substrates derivatized with RGDC as described above and blocked with 1% BSA in PBS for 30 minutes. Cells are grown on a derivatized surface for about 1.5 hours, and the number of cells attached to the surface, as well as intracellular organization and adhesion spots of the actin cytoskeleton to stress fibers (actin stress fibers are integrin receptor and extracellular The degree of formation of the protein-rich complex that binds to the substrate was periodically examined with an optical microscope. Organization and proliferation were visualized by staining the adherent cells and tissues with a fluorescent dye and detected using a fluorescence microscope.

7日間にわたって行った同様の細胞接着試験では、有機単分子層で修飾された基板に接着した多くの細胞の継続した増殖が見られた。これは基板表面上の高密度有機単分子層膜の生理条件に対する安定性を示している。細胞の覆いをタンパク質分解酵素のトリプシンを用いて修飾有機単分子層から除くと、修飾有機単分子層を上記の手順を用いて再利用し、新しい細胞をインキュベートすることができる。   A similar cell adhesion test conducted over 7 days showed continued growth of many cells attached to the substrate modified with the organic monolayer. This indicates the stability of the high-density organic monolayer film on the substrate surface to physiological conditions. Once the cell covering is removed from the modified organic monolayer using the proteolytic enzyme trypsin, the modified organic monolayer can be reused using the procedure described above and new cells can be incubated.

次の実施例は、大きい生体分子、この実施例では抗体もまた、本発明で提供される高密度有機単分子層を用いた基板に結合しうることを例示する。   The following example illustrates that large biomolecules, in this example antibodies, can also be bound to a substrate using the dense organic monolayer provided by the present invention.

実施例5−シリコン基板に結合した高密度有機単分子層の抗体誘導体化
実施例1Aに従って調製した11−ヒドロキシウンデシルホスホン酸に基づく高密度有機単分子層を有する基板を、クーポンをジスクシニミジルグルタラート(DSG、ピアス(Pierce))の5mMアセトニトリル溶液中に室温(約25℃)で24時間設置することによって誘導体化した。前記溶液は無水条件下で(試料を窒素グローブボックスに移し、アセトニトリルは金属ナトリウムから蒸留後カニューレ法を用いて扱った)調製し、使用した。24時間後、グルタラート誘導体化クーポンを新しいアセトニトリルでリンスし、使用前に不活性環境中で扱った。
Example 5-Antibody Derivatization of a High Density Organic Monolayer Bonded to a Silicon Substrate A substrate having a high density organic monolayer based on 11-hydroxyundecylphosphonic acid prepared according to Example 1A is used to form a coupon. It was derivatized by placing it in a 5 mM acetonitrile solution of luglutarate (DSG, Pierce) for 24 hours at room temperature (about 25 ° C.). The solution was prepared and used under anhydrous conditions (samples were transferred to a nitrogen glove box and acetonitrile was handled from metal sodium using a cannula after distillation). After 24 hours, glutarate derivatized coupons were rinsed with fresh acetonitrile and handled in an inert environment before use.

ウサギ抗マウスIgG(ピアス、市販品をそのまま使用)は、誘導体化クーポンを100mg/mlのリン酸バッファー溶液(PBS)中に室温で30分間設置することで、グルタラート誘導体化単分子層と結合させた。30分後、反応を停止させ、クーポンを50mMのTris−HCl溶液(pH7.4)で洗浄した。10マイクログラム/mlの濃度の、抗α4インテグリン抗体であるP1H4(ケミコン(Chemicon))または抗α5インテグリン抗体であるSAM−1(シンバス テクノロジー リミテッド(Cymbus Technology,Ltd.)を含む溶液中でクーポンをインキュベートした。溶液は市販品をそのまま使用した。前記クーポンを抗体溶液から取り出した後、PBSで洗浄し、PBSに溶かした1%BSAで30分間ブロックした。   Rabbit anti-mouse IgG (Pierce, using commercially available product as it is) binds to glutarate-derivatized monolayer by placing the derivatized coupon in 100 mg / ml phosphate buffer solution (PBS) for 30 minutes at room temperature. It was. After 30 minutes, the reaction was stopped and the coupon was washed with 50 mM Tris-HCl solution (pH 7.4). Coupons in a solution containing anti-α4 integrin antibody P1H4 (Chemicon) or anti-α5 integrin antibody SAM-1 (Cymbus Technology, Ltd.) at a concentration of 10 micrograms / ml. The commercial solution was used as it was.The coupon was removed from the antibody solution, washed with PBS, and blocked with 1% BSA dissolved in PBS for 30 minutes.

セルトラッカーオレンジ(Cell Tracker Orange)で標識したα4(CHO α4)またはセルトラッカーグリーン(Cell Tracker green)で標識したα5(CHO α5)を発現した細胞は、上述の手順を用いて、培養皿から取り出す前に細胞をそれぞれの蛍光標識で37℃で30分間処理することで調製した。上述の手順を用いて、標識した細胞の混合物をそれぞれの抗体誘導体化表面でインキュベートした。約2.3時間の接触時間の後、クーポンを適当な波長の光で可視化した。α5−誘導体化表面を混合した細胞とインキュベートした場合、かなりの程度で、α5−発現細胞だけが表面上で増殖し、同様にα4−誘導体化表面では実質的にα4−発現細胞だけが増殖することが観察された。これらの観察から、高密度有機単分子層は、生体材料との相互作用において特異的な表面を調製する経路を提供することがわかる。   Cells expressing α4 (CHO α4) labeled with Cell Tracker Orange or α5 (CHO α5) labeled with Cell Tracker green are removed from the culture dish using the procedure described above. Cells were prepared previously by treating with each fluorescent label at 37 ° C. for 30 minutes. Using the procedure described above, a mixture of labeled cells was incubated on each antibody derivatized surface. After a contact time of about 2.3 hours, the coupon was visualized with light of the appropriate wavelength. When incubated with cells mixed with α5-derivatized surfaces, to a large extent, only α5-expressing cells grow on the surface, as well as substantially only α4-expressing cells grow on the α4-derivatized surface. It was observed. These observations show that high-density organic monolayers provide a route to prepare specific surfaces for interaction with biomaterials.

次の実施例群は、本発明の工程を、非晶質の平面酸化物導体の表面および湾曲した金属表面の自然酸化物の表面への、高密度の表面に沿った有機単分子層の塗布における使用を例示する。   The following group of examples describes the application of the process of the present invention to the application of organic monolayers along a dense surface to the surface of an amorphous planar oxide conductor and to the native oxide surface of a curved metal surface. The use in is illustrated.

実施例6−インジウムをドープした酸化スズ表面上への高密度有機単分子層のデポジション
導電状態にインジウムをドープした125nmの厚さの酸化スズの層をもつガラス基板(ITO/ガラス、コロラド コンセプト コーティングス(Colorado Concept Coatings))の導電性酸化物表面上に、高密度有機単分子層をデポジットした。基板はITO/ガラスの板に切り込みを入れて割ることによって準備し、100mmのクーポンを得た。クーポンのITO表面を上述の工程にしたがって2重量%の清浄液(タージトール(Tergitol)(登録商標))で30分間超音波洗浄することで洗浄した。洗浄液での洗浄の後、クーポンを脱イオン水の流水でリンスした。その後各クーポンを、メタノール、イソプロパノール、および塩化メチレンのそれぞれの溶媒で15分間煮沸した。その後クーポンを無水窒素フロー下で乾燥させ、使用するまで無水窒素ブランケット下で保存した。
Example 6 Deposition of a dense organic monolayer on an indium-doped tin oxide surface A glass substrate with a layer of 125 nm thick tin oxide doped with indium in the conductive state (ITO / glass, Colorado concept A dense organic monolayer was deposited on the conductive oxide surface of Coatings (Colorado Concept Coatings). The substrate was prepared by cutting and breaking the ITO / glass plate to obtain a 100 mm 2 coupon. The ITO surface of the coupon was cleaned by ultrasonic cleaning for 30 minutes with 2 wt.% Cleaning solution (Tergitol®) according to the above-described process. After washing with the washing solution, the coupon was rinsed with running deionized water. Each coupon was then boiled for 15 minutes with the respective solvent of methanol, isopropanol, and methylene chloride. The coupon was then dried under anhydrous nitrogen flow and stored under an anhydrous nitrogen blanket until used.

上述のように準備したITOクーポン表面に、シリコン基板表面に単分子層膜を提供するための上述の手順(実施例1)にしたがって、約40mLのα−クウォーターチオフェン−2−ホスホン酸の0.0024mMのTHF溶液を用いて、約3時間続けて酸溶液メニスカスでITOクーポン表面を横切らせる蒸発段階を経て、高密度有機単分子層をデポジットした。このように調製した単分子層膜を上述の手順に従ってIR分光法およびAFMで試験した。試験の結果、表面にデポジットされた層が表面に沿っており、実質的に表面全体を覆い、単分子層の次元であることが確かめられた。   According to the procedure described above (Example 1) for providing a monolayer film on the silicon substrate surface on the ITO coupon surface prepared as described above, about 0.4 mL of α-quaterthiophene-2-phosphonic acid was added. A dense organic monolayer was deposited using an 0024 mM THF solution through an evaporation step that continued across the ITO coupon surface with an acid solution meniscus for approximately 3 hours. The monolayer film thus prepared was tested by IR spectroscopy and AFM according to the procedure described above. As a result of the test, it was confirmed that the layer deposited on the surface was along the surface, covered substantially the entire surface, and was of a monolayer dimension.

上述のように調製したITOクーポンをトリエチルアミンの5重量%のTHF溶液中で室温でさらに(約1時間以上)超音波洗浄を行っても、表面に結合した有機層に変化は見られなかった。これは前記有機単分子層が基板のITO表面に強く接着していることを示す。   Even when the ITO coupon prepared as described above was further subjected to ultrasonic cleaning in a 5% by weight THF solution of triethylamine at room temperature (about 1 hour or longer), no change was observed in the organic layer bonded to the surface. This indicates that the organic monomolecular layer is strongly adhered to the ITO surface of the substrate.

実施例7−湾曲した金属表面上への高密度有機単分子層のデポジション
高密度有機単分子層を、医療グレードのニッケル/チタン合金(ニチノール(Nitinol)(登録商標))製の直径6mmの動脈ステント、および外科グレードの316型ステンレス製の直径2mmのステント(双方のステント試料はUTIコーポレイション ステント テクノロジー デビジョン(UTI Corporation Stent Technology Div.)の在庫品として入手した)のセクションの自然酸化物表面上にデポジットした。
Example 7-Deposition of a dense organic monolayer onto a curved metal surface A dense organic monolayer is made of medical grade nickel / titanium alloy (Nitinol®) with a diameter of 6 mm. On the native oxide surface of arterial stents and sections of surgical grade 316 stainless steel 2 mm diameter stents (both stent samples obtained as stock from UTI Corporation Stent Technology Div.) Deposit.

本発明に従う結合した単分子層コートを塗布するための準備において、ニッケル/チタンのステントは約15mm長さの断片に、ステンレスのステントは約17〜20mm長さの断片に切断した。デポジションの前にステント断片を以下の手順に従って洗浄した。ステントを、製品の指示書に従ってタージトール(登録商標)の蒸留水溶液中で30分間超音波洗浄(ブランソン)によって洗浄し、蒸留水(自社脱イオン水)、塩化メチレン(テクニカルグレード、市販品をそのまま使用)でそれぞれ15分間超音波洗浄によってリンスし、続けてメタノール中で15分間ずつ3回超音波洗浄した。この溶液処理手順の後、ステント断片を空気中で150℃のオーブンで少なくとも12時間乾燥させた。   In preparation for applying a bonded monolayer coat in accordance with the present invention, a nickel / titanium stent was cut into pieces about 15 mm long and a stainless stent was cut into pieces about 17-20 mm long. Prior to deposition, the stent fragments were washed according to the following procedure. The stent is cleaned by ultrasonic cleaning (Branson) for 30 minutes in distilled water solution of Taditol (registered trademark) according to the product instructions, and distilled water (in-house deionized water), methylene chloride (technical grade, commercial products are used as they are. ) By rinsing with ultrasonic washing for 15 minutes each, followed by ultrasonic washing three times for 15 minutes in methanol. After this solution treatment procedure, the stent pieces were dried in an oven at 150 ° C. in air for at least 12 hours.

3.2mgのホスホンウンデカノール(ホスホン酸頭部基、末端アルコール官能基、および2つの官能基の間の11炭素原子の直鎖アルキル鎖を含む二官能性ホスホン酸)を、直前にベンゾフェノンナトリウムから蒸留したTHF20mlに溶かした溶液を調製した。前記ステントを、上述のシリコンウエハークーポンに行った手順を用いて、ただしステントを酸溶液に縦に沈め、ステント断片に通した細いワイヤーで吊るした。コーティングの後、ステント断片をチューブ炉に設置し、125℃に24時間加熱した。大気中で室温に冷却した後、コートしたステント断片を新しいメタノールで30分間超音波洗浄し、約10Torrの真空下で約12時間乾燥させた。   3.2 mg of phosphonundecanol (a difunctional phosphonic acid containing a phosphonic acid head group, a terminal alcohol functional group, and a linear alkyl chain of 11 carbon atoms between the two functional groups) immediately before sodium benzophenone A solution dissolved in 20 ml of distilled THF was prepared. The stent was used with the procedure described above for a silicon wafer coupon, except that the stent was submerged vertically in an acid solution and hung with a thin wire threaded through the stent fragment. After coating, the stent pieces were placed in a tube furnace and heated to 125 ° C. for 24 hours. After cooling to room temperature in air, the coated stent pieces were ultrasonically cleaned with fresh methanol for 30 minutes and dried under a vacuum of about 10 Torr for about 12 hours.

前記ステント断片をAlexafluor−546カルボン酸スクシニミジルエステル(登録商標)(モレキュラー プローブス(Molecular Probes))の11.6マイクロモルアセトニトリル溶液中に24時間設置し、単分子層のヒドロキシル官能基を有するAlexafluor−546エステル(登録商標)付加体を形成させることによって、上述のように調製した単分子層でコートされたステント断片をさらに機能化させた。誘導体化ステント断片を新しいアセトニトリルで10分間超音波洗浄によってリンスし、真空下(約10Torr)で蛍光顕微鏡で試験するまで保存した。誘導体化ステントの蛍光顕微鏡試験によって、蛍光種の均一な表面被覆が示された。これは本発明の工程が、複雑な金属の形状の上にも高密度有機単分子層を提供するのに用いられうることを示す。   The stent fragment was placed in a 11.6 micromolar acetonitrile solution of Alexafluor-546 carboxylic acid succinimidyl ester® (Molecular Probes) for 24 hours, and Alexafluor with monolayer hydroxyl functional groups By forming the -546 Ester® adduct, the monolayer coated stent fragment prepared as described above was further functionalized. The derivatized stent fragments were rinsed with fresh acetonitrile for 10 minutes by ultrasonic washing and stored under vacuum (approximately 10 Torr) until examined under a fluorescence microscope. Fluorescence microscopic examination of the derivatized stent showed a uniform surface coverage of the fluorescent species. This shows that the process of the present invention can be used to provide a dense organic monolayer even on complex metal shapes.

Claims (37)

少なくとも1つの有機酸種を含む高密度配向単分子層が上に吸着した加水分解性官能基を含む表面を有する基板の少なくとも一部分の上に、高密度の配向した結合単分子層を提供する方法であり、1以上の前記表面の加水分解性官能基との、吸着した有機酸種のうち少なくともいくつかのそれぞれに会合する酸官能基のうち少なくとも1つを含む結合の形成を含む方法。   Method for providing a densely oriented bonded monolayer on at least a portion of a substrate having a surface comprising a hydrolyzable functional group onto which a densely oriented monolayer comprising at least one organic acid species is adsorbed And forming a bond comprising at least one of the acid functional groups associated with at least some of the adsorbed organic acid species with one or more of the surface hydrolyzable functional groups. 前記結合の形成が、前記基板および吸着単分子層を、前記吸着単分子層の少なくとも一部分が前記基板の表面に結合するまで加熱することを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein forming the bond comprises heating the substrate and the adsorbed monolayer until at least a portion of the adsorbed monolayer is bonded to the surface of the substrate. (i)複数の加水分解性官能基を含む基板表面を提供する;
(ii)前記基板表面の少なくとも一部分の上に、少なくとも1つの酸官能基を有することを特徴とする少なくとも1つの有機酸種を、吸着した有機酸種および前記基板の表面を含む界面で、前記基板表面の加水分解性官能基の結合形成近接における前記酸官能基のうち少なくともいくつかを含む高密度配向単分子層を形成するのに十分な量で、吸着させる;および
(iii)前記酸官能基の少なくとも一部分を、前記界面において、前記基板の表面を含む前記加水分解性官能基と結合させる;
を含む、基板の表面の少なくとも一部分の上に高密度配向単分子層を提供する方法。
(I) providing a substrate surface comprising a plurality of hydrolyzable functional groups;
(Ii) at least one organic acid species having at least one acid functional group on at least a portion of the substrate surface at an interface comprising the adsorbed organic acid species and the surface of the substrate; Adsorbing in an amount sufficient to form a densely oriented monolayer comprising at least some of the acid functional groups in the vicinity of bond formation of hydrolyzable functional groups on the substrate surface; and (iii) the acid functionality Attaching at least a portion of a group at the interface to the hydrolyzable functional group comprising a surface of the substrate;
Providing a densely oriented monolayer on at least a portion of the surface of the substrate.
前記単分子層が、実質的に空隙領域を含まず、高密度配向有機単分子層が提供される前記基板表面の前記一部分の全体を覆うまで、段階(ii)および(iii)を繰り返すことをさらに含む、請求項3に記載の方法。   Repeating steps (ii) and (iii) until the monolayer is substantially free of void areas and covers the entire portion of the substrate surface on which the densely oriented organic monolayer is provided. The method of claim 3, further comprising: 前記結合させる段階(iii)が、酸官能基のうち少なくともいくつかに、前記界面において前記表面の加水分解性官能基と化学結合を形成させるのに十分な持続時間で十分な熱エネルギーを前記界面に供給することを含む、請求項3に記載の方法。   The bonding step (iii) provides sufficient thermal energy at a time sufficient for at least some of the acid functional groups to form chemical bonds with the surface hydrolyzable functional groups at the interface. The method according to claim 3, comprising supplying to the device. 前記段階(ii)および(iii)が同時に行われる、請求項3に記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein steps (ii) and (iii) are performed simultaneously. 前記吸着させる段階(ii)が、溶媒に溶解した低濃度の有機酸を含む溶液を提供し、前記基板表面の少なくとも一部分の上に前記有機酸種の単分子層膜を形成させるのに十分な量で、前記基板表面に前記溶液を接触させることを含む、請求項3に記載の方法。   The adsorbing step (ii) is sufficient to provide a solution containing a low concentration organic acid dissolved in a solvent and to form a monolayer film of the organic acid species on at least a portion of the substrate surface. 4. The method of claim 3, comprising contacting the solution with the substrate surface in an amount. 前記基板表面を前記溶液と接触させた後、前記基板表面の少なくとも一部分の上の、前記吸着した高密度配向有機単分子層膜が脱離する条件下で残留溶液を前記基板との接触から除去すること、および任意で前記残留溶液の除去の後にまたは同時に、前記吸着単分子層膜から任意の残留溶媒を蒸発させることをさらに含む、請求項7に記載の方法。   After contacting the substrate surface with the solution, the residual solution is removed from contact with the substrate under conditions such that the adsorbed densely oriented organic monolayer film is desorbed on at least a portion of the substrate surface. The method of claim 7, further comprising: evaporating any residual solvent from the adsorbed monolayer film, and optionally after or simultaneously with removal of the residual solution. 前記残留溶液の除去および前記残留溶媒の蒸発が、酸溶液のメニスカスを基板表面を横切らせることによって行われる、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, wherein removal of the residual solution and evaporation of the residual solvent are performed by traversing a meniscus of acid solution across the substrate surface. 前記基板表面を前記酸溶液のメニスカスを横切らせることが、前記基板表面に、前記基板表面と前記溶液表面との界面に向けたガス流を徐々に流すことによって提供される、請求項9に記載の方法。   10. The substrate surface traversing the acid solution meniscus is provided by gradually flowing a gas flow toward the interface between the substrate surface and the solution surface on the substrate surface. the method of. 有機酸種が溶媒中に含まれる多量の溶液中に浸された固定位置に前記基板を吊るすことによって、前記基板表面を前記溶液に接触させる、請求項9に記載の方法。   The method according to claim 9, wherein the substrate surface is brought into contact with the solution by suspending the substrate at a fixed position immersed in a large amount of a solution containing organic acid species in a solvent. 前記基板表面が、前記溶液から溶媒の一部分を蒸発させることによって酸溶液のメニスカスで横切られる、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, wherein the substrate surface is traversed by a meniscus of acid solution by evaporating a portion of the solvent from the solution. 前記加水分解性官能基がオキシド官能基であり、並びに前記基板表面が:(a)電気的に導電性、半導体特性、絶縁性または金属特性を有する自然酸化物表面をもつ材料;および(b)バルク酸化物、酸化物導体、および酸化物絶縁体からなる群から選択される基板の酸化物表面を含む、請求項3に記載の方法。   The hydrolyzable functional group is an oxide functional group, and the substrate surface has: (a) a material having a native oxide surface with electrically conductive, semiconducting, insulating or metallic properties; and (b) 4. The method of claim 3, comprising an oxide surface of a substrate selected from the group consisting of a bulk oxide, an oxide conductor, and an oxide insulator. 前記加水分解性官能基がオキシド官能基であり、並びに前記基板表面が、金属の自然酸化物表面、半導体の自然酸化物表面、絶縁体の自然酸化物表面、および酸化物導体からなる群から選択される基板の酸化物表面を含む、請求項8に記載の方法。   The hydrolyzable functional group is an oxide functional group, and the substrate surface is selected from the group consisting of a metal natural oxide surface, a semiconductor natural oxide surface, an insulator natural oxide surface, and an oxide conductor. 9. The method of claim 8, comprising an oxide surface of the substrate to be processed. 前記基板が、シリコンベースの半導体の自然表面、シリコンベースの半導体のむきだしの表面、ゲルマニウムベースの半導体の自然表面、ゲルマニウムベースの半導体のむきだしの表面、ガリウムヒ素ベースの半導体の自然表面、ガリウムヒ素ベースの半導体のむきだしの表面、インジウムスズ酸化物導体、アルミニウム亜鉛酸化物導体、酸化チタン導体、および酸化鉄導体からなる群から選択される、請求項8に記載の方法。   The substrate is a natural surface of a silicon based semiconductor, a bare surface of a silicon based semiconductor, a natural surface of a germanium based semiconductor, a bare surface of a germanium based semiconductor, a natural surface of a gallium arsenide based semiconductor, a gallium arsenide based 9. The method of claim 8, selected from the group consisting of a bare semiconductor surface, an indium tin oxide conductor, an aluminum zinc oxide conductor, a titanium oxide conductor, and an iron oxide conductor. 前記有機酸種が、スルホン酸官能基、カルボン酸官能基、およびホスホン酸官能基からなる群から選択される酸官能基を有する、請求項3に記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein the organic acid species has an acid functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid functional group, a carboxylic acid functional group, and a phosphonic acid functional group. 前記有機酸種が、モノ−、ジ−、および多官能カルボン酸、並びにモノ−、ジ−、および多官能ホスホン酸からなる群から選択される、請求項8に記載の任意の方法。   9. The optional method of claim 8, wherein the organic acid species is selected from the group consisting of mono-, di-, and polyfunctional carboxylic acids, and mono-, di-, and polyfunctional phosphonic acids. 前記有機酸種が、カルボン酸官能基およびホスホン酸官能基からなる群から選択される少なくとも1つの酸官能基を含み、それに直鎖、分岐、または環状の、飽和または不飽和の、置換または非置換の脂肪族部分、置換または非置換の、モノマー、オリゴマーまたはポリマーの芳香族部分、置換または非置換の、モノマー、オリゴマーまたはポリマーの複素環式芳香族部分からなる群から選択される炭化水素部分が結合する、請求項8に記載の方法。   The organic acid species comprises at least one acid functional group selected from the group consisting of a carboxylic acid functional group and a phosphonic acid functional group, which is linear, branched, or cyclic, saturated or unsaturated, substituted or non- A hydrocarbon moiety selected from the group consisting of a substituted aliphatic moiety, a substituted or unsubstituted aromatic moiety of a monomer, oligomer or polymer, a substituted or unsubstituted monomer, oligomer or polymer heterocyclic aromatic moiety. 9. The method of claim 8, wherein 前記炭化水素部分が、置換または非置換のチオフェン部分、置換または非置換のポリチオフェン部分、オリゴマーのヘテロ環部分、ポリマーのヘテロ環部分、直鎖または分岐の、飽和または不飽和の、置換または非置換の、約2〜約40の炭素原子を有する脂肪族部分、置換または非置換の、芳香族または複素環式芳香族部分、置換または非置換の直鎖フェニレン、ポリマーの芳香族部分、TCNQ誘導体、およびTTF誘導体からなる群から選択され、並びに前記炭化水素部分が任意でカルボン酸官能基、ヒドロキシル官能基、アミノ官能基、ホスホン酸官能基、エーテル官能基、ポリエーテル官能基、およびチオール官能基からなる群から選択される1以上の官能基でさらに置換される、請求項18に記載の方法。   The hydrocarbon moiety is a substituted or unsubstituted thiophene moiety, a substituted or unsubstituted polythiophene moiety, an oligomeric heterocyclic moiety, a polymeric heterocyclic moiety, a linear or branched, saturated or unsaturated, substituted or unsubstituted An aliphatic moiety having from about 2 to about 40 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aromatic or heterocyclic aromatic moiety, a substituted or unsubstituted linear phenylene, an aromatic moiety of a polymer, a TCNQ derivative, And the hydrocarbon moiety is optionally selected from the group consisting of carboxylic acid functional group, hydroxyl functional group, amino functional group, phosphonic acid functional group, ether functional group, polyether functional group, and thiol functional group. The method of claim 18, further substituted with one or more functional groups selected from the group consisting of: 前記有機酸種がヒドロキシル、アミノ、カルボン酸、ホスホン酸、およびチオール官能基からなる群から選択されるオメガ−置換基を有する、オメガ置換二官能性カルボン酸またはホスホン酸である、請求項8に記載の方法。   9. The omega-substituted bifunctional carboxylic acid or phosphonic acid, wherein the organic acid species has an omega-substituent selected from the group consisting of hydroxyl, amino, carboxylic acid, phosphonic acid, and thiol functional groups. The method described. 前記有機酸種が、ニトロフェニルホスホン酸、ベンジルホスホン酸、ブチルホスホン酸、オクチルホスホン酸、オクタデシルホスホン酸、置換および非置換のアントラセンホスホン酸、置換および非置換のペンタセンホスホン酸、置換および非置換のクウォーターチオフェンホスホン酸、11−ヒドロキシウンデシルホスホン酸、約2〜約20の炭素原子を含む炭化水素部分を有するオメガ−カルボン酸ホスホン酸、置換および非置換のキシリルホスホン酸、並びにこれらのうち2以上の組み合わせからなる群から選択されるホスホン酸である、請求項19に記載の方法。   The organic acid species is nitrophenylphosphonic acid, benzylphosphonic acid, butylphosphonic acid, octylphosphonic acid, octadecylphosphonic acid, substituted and unsubstituted anthracenephosphonic acid, substituted and unsubstituted pentacenephosphonic acid, substituted and unsubstituted Quarterthiophenephosphonic acid, 11-hydroxyundecylphosphonic acid, omega-carboxylic acid phosphonic acid having a hydrocarbon moiety containing from about 2 to about 20 carbon atoms, substituted and unsubstituted xylylphosphonic acid, and 2 of these 20. A method according to claim 19 which is a phosphonic acid selected from the group consisting of the above combinations. 前記有機酸種が、約2〜約40の炭素原子を有するアルキルカルボン酸、安息香酸、置換基がヒドロキシル、アミノ、カルボン酸官能基、および任意でヒドロキシル、アミノ、カルボン酸官能基からなる群から選択される1以上の官能基で置換された、直鎖または分岐の、置換または非置換の、約2〜約20の炭素原子を有するアルキル部分からなる群から選択される、置換安息香酸、サリチル酸、並びに置換および非置換のアルキルサリチル酸からなる群から選択されるカルボン酸である、請求項20に記載の方法。   The organic acid species from the group consisting of alkyl carboxylic acids having from about 2 to about 40 carbon atoms, benzoic acid, substituents comprising hydroxyl, amino, carboxylic acid functional groups, and optionally hydroxyl, amino, carboxylic acid functional groups Substituted benzoic acid, salicylic acid selected from the group consisting of linear or branched, substituted or unsubstituted, alkyl moieties having from about 2 to about 20 carbon atoms, substituted with one or more selected functional groups And a carboxylic acid selected from the group consisting of substituted and unsubstituted alkylsalicylic acids. 請求項8に記載の方法に従って調製された基板の酸化物表面に化学的に結合した、高密度充填の有機酸ベースの単分子層。   A densely packed organic acid based monolayer chemically bonded to an oxide surface of a substrate prepared according to the method of claim 8. 請求項19に記載の方法に従って調製された基板の酸化物表面に化学的に結合した、高密度充填の有機酸ベースの単分子層。   20. A densely packed organic acid based monolayer chemically bonded to an oxide surface of a substrate prepared according to the method of claim 19. さらなる官能基を、有機または生体活性部分に結合させることをさらに含む、請求項24に記載の方法。   25. The method of claim 24, further comprising attaching an additional functional group to the organic or bioactive moiety. 複数のオキシド官能基を含む表面を有する基板上に、ホスホン酸官能基およびカルボン酸官能基から選択される少なくとも1つの酸官能基を含む1以上の有機酸種を用いた、高密度配向単分子層を提供する方法であり:
(i)少なくとも1つの前記酸官能基を含む少なくとも1つの前記有機酸種を溶媒中に含み、前記酸種が溶液中で低濃度で存在する溶液を提供する;
(ii)単分子層が提供される基板表面の少なくとも一部分を、段階(i)で得られた前記溶液に、有機酸種を含む吸着した高密度配向単分子層膜を形成するために十分な量および条件下で接触させる(ここで前記吸着した有機酸種と前記基板表面との界面において、前記単分子層を含むそれぞれの前記吸着有機酸種は、前記基板表面の少なくとも1つのオキシド官能基と会合した少なくとも1つの酸官能基を有する);
(iii)溶液に接触させる段階(ii)に続いて、前記基板表面の少なくとも一部分の上の、前記吸着した高密度配向単分子層膜および任意で前記溶媒の残留量が脱離する条件下で、任意の残留溶液を基板との接触から除去する;
(iv)溶液を除去する段階(iii)の後にまたは同時に、存在する場合は実質的に全ての前記残留溶媒を蒸発させる;および
(v)段階(iv)が行われた場合、段階(iv)の後にまたは同時に、前記酸化物表面に会合した酸官能基のうち少なくともいくつかに、前記基板表面のオキシド官能基と化学結合を形成させるために、十分な持続時間で十分な熱エネルギーを前記吸着単分子層および前記酸化物表面を含む界面領域に供給する;
を含む方法。
High density oriented monomolecule using one or more organic acid species containing at least one acid functional group selected from phosphonic acid functional groups and carboxylic acid functional groups on a substrate having a surface containing a plurality of oxide functional groups Here is how to provide a layer:
(I) providing a solution comprising in a solvent at least one said organic acid species comprising at least one said acid functional group, wherein said acid species is present in a low concentration in the solution;
(Ii) at least a portion of the substrate surface on which the monolayer is provided is sufficient to form an adsorbed densely oriented monolayer film comprising organic acid species in the solution obtained in step (i). Contacting at a quantity and under conditions (wherein at the interface between the adsorbed organic acid species and the substrate surface, each adsorbed organic acid species comprising the monolayer comprises at least one oxide functional group on the substrate surface). At least one acid functional group associated with the
(Iii) following the step (ii) of contacting the solution, under conditions where the adsorbed densely oriented monolayer film and optionally the residual amount of the solvent is desorbed on at least a portion of the substrate surface Removing any residual solution from contact with the substrate;
(Iv) after or simultaneously with step (iii) of removing the solution, if present, substantially all of said residual solvent is evaporated; and (v) if step (iv) is performed, step (iv) After or simultaneously with the adsorption of sufficient thermal energy with sufficient duration to form chemical bonds with the oxide functional groups of the substrate surface on at least some of the acid functional groups associated with the oxide surface Supplying an interfacial region comprising a monolayer and the oxide surface;
Including methods.
前記単分子層が、実質的に空隙領域を含まず、単分子層が提供される前記酸化物表面の前記一部分の全体を覆うまで、段階(i)〜(v)を繰り返すことをさらに含む、請求項26に記載の方法。   Repeating steps (i)-(v) until the monolayer is substantially free of void areas and covers the entire portion of the oxide surface on which the monolayer is provided. 27. The method of claim 26. 前記「熱供給する段階」(v)が、約100℃を超える温度を有する環境に前記基板を設置することを含む、請求項26に記載の方法。   27. The method of claim 26, wherein the “heating step” (v) comprises placing the substrate in an environment having a temperature greater than about 100 degrees Celsius. 前記接触させる段階(ii)が、多量の前記有機酸溶液を前記基板表面の上に、前記多量の溶液の少なくともいくらかが基板表面上に溶液層を形成しうる条件下で分散させることによって行われる、請求項28に記載の方法。   The contacting step (ii) is performed by dispersing a large amount of the organic acid solution on the substrate surface under a condition that at least some of the large amount of solution can form a solution layer on the substrate surface. 30. The method of claim 28. 前記溶液を除去する段階(iii)が、請求項10に記載の方法に従って行われる、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the step (iii) of removing the solution is performed according to the method of claim 10. 前記接触させる段階(ii)が、多量の前記溶液中に浸された固定位置に前記基板を吊るすことによって行われる、請求項28に記載の方法。   29. The method of claim 28, wherein the contacting (ii) is performed by suspending the substrate in a fixed position immersed in a volume of the solution. 前記接触させる段階(ii)および除去する段階(iii)が、請求項12に記載の方法に従って行われる、請求項31に記載の方法。   32. The method of claim 31, wherein the contacting (ii) and removing (iii) are performed according to the method of claim 12. 前記有機酸種が、モノ−、ジ−、および多官能ホスホン酸から選択される、請求項32に記載の方法。   33. The method of claim 32, wherein the organic acid species is selected from mono-, di-, and polyfunctional phosphonic acids. 前記有機酸種が、モノ−、ジ−、および多官能カルボン酸から選択される、請求項32に記載の方法。   The method of claim 32, wherein the organic acid species is selected from mono-, di-, and polyfunctional carboxylic acids. 請求項32に記載の方法によって提供される、高密度配向単分子層膜。   33. A densely oriented monolayer film provided by the method of claim 32. 前記有機酸種が、オメガヒドロキシアルキルホスホン酸である、請求項32に記載の方法。   33. The method of claim 32, wherein the organic acid species is omega hydroxyalkyl phosphonic acid. 請求項36に記載の方法によって調製される、高密度配向単分子層膜。   A high density oriented monolayer film prepared by the method of claim 36.
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